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Universidade de Brasília - UnB Faculdade UnB Gama - FGA
Curso de Engenharia Automotiva
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UM DISPOSITIVO PARA CARACTERIZAÇÃO DO RUÍDO PNEU-
PAVIMENTO
Autor: Paulo Germano Fetter Júnior Orientador: Prof.ª Dr.ª Maria Alzira de Araújo
Nunes
Brasília, DF
2017
Paulo Germano Fetter Júnior
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UM DISPOSITIVO PARA CARACTERIZAÇÃO DO RUÍDO PNEU-PAVIMENTO
Monografia submetida ao curso de graduação em engenharia automotiva da Universidade de Brasília, como requisito parcial para obtenção do Título de Bacharel em engenharia automotiva. Orientador: Prof.ª Dr.ª Maria Alzira de Araújo Nunes
Brasília, DF 2017
CIP – Catalogação Internacional da Publicação*
Fetter Júnior, Paulo Germano.
Projeto e construção de um dispositivo para
caracterização do ruído pneu-pavimento / Paulo
Germano Fetter Júnior. Brasília: UnB, 2017. 103 p. : il. ;
29,5 cm.
Monografia (Graduação) – Universidade de Brasília
Faculdade do Gama, Brasília, 2017. Orientação: Maria Alzira de
Araújo Nunes.
1. Caracterização de Ruído. 2. Pneu-pavimento. 3. Rodagem.
I. Nunes, Maria Alzira de Araújo. II. Prof. Dr.
CDU Classificação
A ficha catalográfica oficial deverá ser solicitada à Biblioteca
pelo aluno após a apresentação.
REGULAMENTO E NORMA PARA REDAÇÃO DE RELATÓRIOS DE PROJETOS DE GRADUAÇÃO FACULDADE DO GAMA - FGA
Paulo Germano Fetter Júnior
Monografia submetida como requisito parcial para obtenção do Título de Bacharel em engenharia automotiva da Faculdade UnB Gama - FGA, da Universidade de Brasília, em __/__/__ apresentada e aprovada pela banca examinadora abaixo assinada:
Prof.ª Dr.ª Maria Alzira de Araújo Nunes, UnB/ FGA Orientador
Prof.ª Dr.ª Suzana Moreira Avila, UnB/ FGA
Membro Convidado
Prof. MSc. Saleh Barbosa Khalil, UnB/ FGA Membro Convidado
Prof.ª Dr.ª Maura Angelica Milfont Shzu, UnB/ FGA Membro Convidado
Brasília, DF 2017
AGRADECIMENTOS
A Prof.ª Dr.ª Maria Alzira por toda a orientação. Agradeço pela paciência,
disponibilidade e dedicação na orientação deste trabalho. Aos meus pais e irmãos, que sempre me apoiaram e foram fundamentais em minha vida. Em especial a minha mãe, que apesar de não estar mais aqui, sempre me auxiliou e motivou durante a graduação. A minha namorada, pelo companheirismo, incentivo e apoio nos momentos de dificuldade. Aos professores e técnicos do laboratório de fabricação, pelos conselhos e ensinamentos que contribuíram para este trabalho.
"O único homem que está isento de erros é aquele que não arrisca acertar." Albert Einstein.
RESUMO
Com o aumento da concentração humana em cidades e consequente aumento no número de industrias, veículos, aviões e estabelecimentos comerciais, o ruído tem se tornado fonte de preocupação. Dentre as fontes de ruído nas cidades, o ruído decorrente do tráfego veicular é o maior causador de poluição sonora nestas. Em um veículo, o ruído pneu-pavimento é uma das fontes que mais contribui para o ruído total. Dessa forma, o ruído pneu-pavimento deve ser estudado. Bancadas em escala reduzida são utilizadas em universidades de todo o mundo, e tem se mostrado bastante úteis no âmbito didático e de pesquisa. Este trabalho apresenta as etapas de concepção e projeto de um dispositivo em escala reduzida para teste de ruído pneu-pavimento. O dispositivo contará com uma roda e pneu em escala reduzida, que circularão por uma pista, movidos por um motor elétrico acoplado a uma caixa de redução. Essa bancada será capaz de simular o contato pneu-pavimento de modo que se permita estudar e caracterizar o ruído gerado. Será possível variar o tipo de pavimento, o ângulo de cambagem e de convergência da roda, a carga sobre o pneu e a pressão do pneu, de modo a estudar o reflexo dessas variações no ruído gerado. A bancada proposta será produzida e alocada em laboratório na faculdade UnB Gama.
Palavras-chave: Ruído Pneu-pavimento. Bancada Didática. Ruído veicular.
ABSTRACT
With increasing human concentration in cities and a consequent increase in the number of industries, vehicles, airplanes and commercial establishments, noise has become a source of concern. Among the sources of noise in cities, noise from vehicular traffic is the major cause of noise pollution. In a vehicle, tire-pavement noise is one of the sources that most contribute to total noise. This way, the tire-pavement noise should be studied. Reduced-scale workbenches are used in universities around the world, and have proven to be very useful in teaching and research. This paper presents the steps of conception and project a reduced-scale device for tire-pavement noise testing. The device will have a reduced-scale wheel and tire, which will run on a track, moved by an electric motor coupled to a reduction box. This dispositive will be able to simulate the tire-pavement contact so that it is possible to study and characterize the generated noise. It will be possible to vary the pavement type, the wheel camber and convergence angles, the load on the tire and the tire pressure, in order to study the reflection of these variations in the generated noise. The proposed dispositive will be produced and allocated in laboratory at UnB Gama faculty. Keywords: Tire-pavement Noise. Didactic Workbench. Vehicular Noise.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Principais fontes de ruído em Curitiba-PR (ZANNIN et al., 2002). ... 16 Figura 2 - Barreira acústica em rodovia (Disponível em: http://www.lnz.com.br/arquivosSGC/SERV20090703073007barreira_acust.JPG). ....................................................................................................................... 17
Figura 3 - Contribuição das fontes de ruído em um veículo (BERNHARD et al., 2005) (Adaptado). ............................................................................................ 20
Figura 4 - Equipamento para teste de ruído pneu-pavimento (RASMUSSEN et al., 1996). ......................................................................................................... 20
Figura 5 - Medição de ruído pelo método estatístico de passagem (SPECHT et al., 2009). ......................................................................................................... 21
Figura 6 - Medição de ruído pelo método controlado de passagem (Judith Rochat, U.S. DOT Volpe Center apud BERNHARD et al., 2005). .................... 21
Figura 7 – Metodologia do trabalho. ................................................................. 23 Figura 8 - Som musical x ruído (NETTO, 2017) (Adaptado)............................. 25
Figura 9 - Som agudo x som grave (Disponível em: http://www.feiradeciencias.com.br/sala10/10_t01.asp). ................................... 26
Figura 10 - Escala logarítmica para pressão sonora (BISTAFA, 2006) (Adaptado). ....................................................................................................... 27
Figura 11 - Origens de ruído pneu-pavimento em um veículo (SANTOS, 2007). ......................................................................................................................... 28
Figura 12 - Vibrações radiais no pneu (RASMUSSEN et al., 2007) (Adaptado). ......................................................................................................................... 29
Figura 13 - Vibrações da parede lateral do pneu (SANDBERG et al., 2002 apud BERNHARD et al., 2005) (Adaptado). .............................................................. 29
Figura 14 - Vibrações do tipo adere/desliza (RASMUSSEN et al., 2007) (Adaptado). ....................................................................................................... 30
Figura 15 - Vibrações do tipo adere/descola (RASMUSSEN et al. 2007) (Adaptado). ....................................................................................................... 30
Figura 16 - Ruído por bombeamento de ar em pneus (FEHRL, 2006) (Adaptado). ....................................................................................................... 31
Figura 17 - Radiação da ressonância de ar na parte traseira do pneu (SILVA, 2011) (Adaptado). ............................................................................................ 32
Figura 18 - Fenômeno de ressonância tubular nos sulcos do pneu (RASMUSSEN et al., 2007). ............................................................................. 32
Figura 19 - Sítio de ensaio para método de passagem controlada definido por norma (ISO 362: 1998 apud CALLAI, 2008). .................................................... 33
Figura 20 – Caminhos de medição de ruído pneu-pavimento. ......................... 34 Figura 21 - Microfone 377B02 da PCB (Disponível em: http://www.pcb.com/products.aspx?m=377B02). ............................................. 35 Figura 22 - Diagrama simplificado do microfone capacitivo (VALLE, 2015). .... 35 Figura 23 - Medidor de nível sonoro Larson Davis Soundtrack LxT (Disponível em: http://www.mip.fi/cms/fi/mittalaitteet/melu-ja-aeaeni/aeaenitasomittarit/tarkkuusluokka-2-mittarit/309-larson-davis-soundtrack-lxt-aeaenitasomittari). .................................................................... 36 Figura 24 - Componentes básicos do medidor de nível sonoro (BISTAFA, 2006). ............................................................................................................... 37
Figura 25 - Sistema de aquisição de dados (Disponível em: http://www.ni.com/data-acquisition/what-is/pt/). ................................................ 38 Figura 26 - Placa de aquisição National Instruments cDAQ-9171 (Disponível em: https://www.detail.1688.com/pic/45376044539.html?spm=0.0.0.0.FcDYUL/). . 39
Figura 27 - Diagrama de Blocos e Painel Frontal em ambiente LabVIEW (DZIALOSZYNSKI, 2015). ................................................................................ 40
Figura 28 - Transformada de Fourier e transformada inversa de Fourier (HAYKIN e MOHER, 2008). ............................................................................. 42
Figura 29 - Espectros de frequência de um mesmo som em filtros de oitava e de 1/3 de oitava (RASMUSSEN et al., 2007) (Adaptado)................................. 44
Figura 30 - Espectros de um mesmo ruído obtidos com filtros diferentes (BISTAFA, 2006). ............................................................................................. 45
Figura 31 - Medição de ruído pelo método estatístico de passagem (SPECHT et al., 2009). ..................................................................................................... 47
Figura 32 - Medição de ruído pelo método controlado de passagem (Judith Rochat, U.S. DOT Volpe Center apud BERNHARD et al., 2005). .................... 48
Figura 33 - Medição de ruído pelo método CPI (WANG et al., 2012). .............. 48 Figura 34 - Medição de ruído pelo método CPX (SLAMA, 2012). .................... 49
Figura 35 – Medições (a) e resultados (b) via método STSF (RASMUSSEN et al., 1996) (Adaptado). ....................................................................................... 49
Figura 36 - Dispositivo para teste de ruído pneu-pavimento em laboratório (BERNHARD et al., 2005). ............................................................................... 50
Figura 37 - Dispositivo de teste de ruído pneu-pavimento pelo método do tambor giratório (SANDBERG et al., 2013). ..................................................... 50
Figura 38 - Dispositivo para teste de durabilidade de pavimentos (CORTÉ, 2001). ............................................................................................................... 51
Figura 39 - Esboço do modelo inicial da bancada em CAD. ............................ 53 Figura 40 - Vista superior do modelo inicial bancada em CAD. ....................... 53
Figura 41 - Vista do modelo inicial com detalhe para a articulação e regulagem da roda. ............................................................................................................ 54
Figura 42 – Esboço do modelo final da bancada em CAD. .............................. 55 Figura 43 – Vista da estrutura do modelo final da bancada em CAD. .............. 55
Figura 44 - Vista do modelo final com detalhe para os mecanismos de regulagem disponíveis...................................................................................... 56
Figura 45 – Pista do dispositivo. ....................................................................... 56 Figura 46 - Variações na bancada e seus mecanismos. .................................. 58
Figura 47 – Vista superior do modelo final da bancada com dimensões principais. ......................................................................................................... 59
Figura 48 - Disposição dos componentes da bancada. .................................... 60 Figura 49 - Motor WEG 1/4cv (Disponível em: https://www.centraldemanutencao.com.br/image/cache/data/GRD_605_conjunto%20motor-500x341.jpg). ................................................................................ 61 Figura 50 - Roda com pneu 6x2 (Disponível em: http://www.casadoborracheiro.com.br/sites/default/files/styles/max/public/imagens-produtos/a04010-cs.jpg?itok=1ttu-28N). ..................................................... 65
Figura 51 - Análise estática no eixo da caixa de redução. ............................... 66 Figura 52 - Análise estática do braço 1. ........................................................... 67
Figura 53 – Níveis de regulagem do braço 2. ................................................... 68 Figura 54 – Análise estática no braço 2. .......................................................... 68
Figura 55 - Fator de segurança em análise estática do braço 2. ...................... 69
Figura 56 – Análise estática no braço 3. .......................................................... 70 Figura 57 – Revisão da caixa de redução. ....................................................... 73
Figura 58 – Motor após a revisão. .................................................................... 74 Figura 59 - Posicionamento dos tubos com auxílio de esquadros magnéticos. 75
Figura 60 - Cordões de solda por eletrodo revestido na estrutura da bancada.75 Figura 61 - Chapas de fixação do motor soldadas à estrutura. ........................ 76
Figura 62 - Usinagem externa da bucha do braço 1. ....................................... 76 Figura 63 - Usinagem interna da bucha do braço 1. ........................................ 77
Figura 64 - Corte da bucha do braço 1 na serra fita. ........................................ 77 Figura 65 - Corte da chapa para construção da pista da bancada. .................. 78
Figura 66 – Peças após a aplicação da primeira camada de tinta. .................. 79 Figura 67 – Peças após aplicação da camada final de tinta PU. ...................... 80
Figura 68 – Posicionamento das peças na bancada. ....................................... 81 Figura 69 – Conexões elétricas do dispositivo. ................................................ 82
Figura 70 – Dispositivo finalizado. .................................................................... 82 Figura 71 – Dispositivo finalizado com detalhe para os mecanismos de regulagem. ....................................................................................................... 83 Figura 72 – Ciclos de medição utilizados. ........................................................ 84
Figura 73 – Sonômetro acoplado ao braço 1 do dispositivo, com roda e pneu desacoplados. .................................................................................................. 85
Figura 74 – Resultado da medição sem roda e pneu acoplados. ..................... 85 Figura 75 – Dispositivo com ângulos de cambagem e convergência neutros e sem carga adicional no conjunto roda e pneu. ................................................. 86 Figura 76 – Resultados da medição com ângulos de cambagem e convergência neutros e sem carga adicional no conjunto roda e pneu. ................................. 86 Figura 77 – Dispositivo com ângulo de convergência divergente. .................... 87
Figura 78 – Resultados da medição com ângulo de convergência divergente. 87 Figura 79 – Pesos adicionados ao braço do dispositivo. .................................. 88
Figura 80 – Resultados da medição com os pesos adicionados ao braço do dispositivo. ........................................................................................................ 88
Figura 81 – Roda com ângulo de cambagem negativo. ................................... 89 Figura 82 – Roda com ângulo de cambagem positivo...................................... 89
Figura 83 – Resultados com cambagem negativa. .......................................... 90 Figura 84 – Resultados com cambagem positiva ............................................. 90
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Velocidade onde o ruído pneu-pavimento passa a ser maior que o do motor (SANDBERG et al., 2002 apud KNABBEN, 2012). ........................... 18
Tabela 2 – Variações possíveis no dispositivo. ................................................ 58 Tabela 3 - Componentes da bancada. ............................................................. 60
Tabela 4 - Especificações do motor. ................................................................ 61 Tabela 5 - Coeficiente de resistência ao rolamento (HPWizard – Automotive design tools apud CHIODELLI, 2012). ............................................................. 63 Tabela 6 - Estimativa de custo dos componentes ............................................ 71
Tabela 7 – Resultados das medições realizadas. ............................................ 90
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................. 15
1.1. CONTEXTUALIZAÇÃO ......................................................................... 15
1.2. JUSTIFICATIVA ..................................................................................... 19
1.3. OBJETIVOS ........................................................................................... 22
1.3.1. Objetivo Geral ................................................................................. 22
1.3.2. Objetivos Específicos ...................................................................... 22
1.4. METODOLOGIA PROPOSTA ............................................................... 22
1.5. ESTRUTURA DO TRABALHO .............................................................. 24
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ...................................................................... 25
2.1. SOM E RUÍDO ....................................................................................... 25
2.2. MECANISMO DE GERAÇÃO DE RUÍDO PNEU-PAVIMENTO ............ 27
2.2.1. Estrutural ......................................................................................... 28
2.2.2. Aerodinâmico .................................................................................. 30
2.3. NORMATIVAS RELACIONADAS AO RUÍDO PNEU-PAVIMENTO ...... 33
2.4. INSTRUMENTAÇÃO ............................................................................. 34
2.4.1. Microfone Capacitivo ....................................................................... 34
2.4.2. Medidor de Nível de Pressão Sonora .............................................. 36
2.4.3. Condicionador/Amplificador de Sinais ............................................. 37
2.4.4. Placa de Aquisição Analógico/digital ............................................... 38
2.4.5. Software de Aquisição de Dados .................................................... 39
2.5. ANÁLISE DE SINAIS ............................................................................. 40
2.5.1. Sistemas Lineares ........................................................................... 40
2.5.2. Transformada de Fourier ................................................................. 41
2.5.3. Densidade Espectral de Potência ................................................... 42
2.5.4. Filtros de 1/1 e 1/3 de Oitava .......................................................... 43
3. PROJETO DO DISPOSITIVO DE TESTE .................................................... 46
3.1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA PARA CONCEPÇÃO DO DISPOSITIVO .. 46
3.2. PROPOSIÇÃO CAD DO DISPOSITIVO ................................................ 52
3.3. PROJETO DOS ELEMENTOS MECÂNICOS........................................ 61
3.4. VIABILIDADE DE CUSTO ..................................................................... 70
4. FABRICAÇÃO E MONTAGEM DA BANCADA ............................................ 73
4.1. FABRICAÇÃO DAS PEÇAS .................................................................. 73
4.2. MONTAGEM .......................................................................................... 80
5. TESTES EXPERIMENTAIS ......................................................................... 84
6. CONCLUSÃO ............................................................................................... 92
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................. 93
ANEXOS .......................................................................................................... 98
15
1. INTRODUÇÃO
1.1. CONTEXTUALIZAÇÃO
Com a revolução industrial, nota-se cada vez mais o aumento da
concentração humana em grandes cidades. Esta concentração vem geralmente
aliada a um aumento do número de industrias, automóveis, habitações,
estabelecimentos comerciais e até mesmo aviões. Este aumento nos leva a um
grande problema, motivo de grande preocupação hoje em dia: o ruído
(ZAJARKIEWICCH, 2010).
O ruído não é só aquele barulho intenso que um avião provoca ao passar
próximo de nós, ele pode abranger desde um barulho intermitente no banco de
um automóvel até uma explosão por exemplo. Assim, nota-se que não é a
intensidade que define um som como ruído, e sim, o desconforto que ele causa.
Esse desconforto, é um indicador dos malefícios que o ruído pode trazer a
saúde humana. Ao primeiro momento, é costume associar problemas auditivos
ao ruído. Ele causa vários problemas ao sistema auditivo, que podem ir desde a
uma lesão reversível à surdez total. Estes problemas são geralmente provindos
de exposição a ruídos de alta intensidade (BRITO, 1999).
Além dos impactos citados anteriormente, que são diretamente ligados ao
ruído, ele causa também outros efeitos que vem sendo alvo de estudos médicos
nas últimas décadas: alterações no sono e insônia, estresse, perdas de memória
e de habilidade motora e mental, náuseas, dores de cabeça, e até mesmo
distúrbios nos sistemas circulatório, respiratório e imunológico (KNABBEN,
2012).
Dentre as fontes de ruído ambiental, o ruído causado pelo tráfego de
veículos é o maior responsável pela poluição sonora em grandes cidades e
comprovadamente é o que causa maior incomodo na população (NUNES,
DORNELLES e SOARES, 2000).
Pesquisas de opinião pública realizadas por ZANNIN, CALIXTO e DINIZ
(2002) mostram que na cidade de Curitiba as principais fontes de ruído
causadoras de incômodo são o tráfego de veículos (73%) e vizinhos (38%), como
na Figura 1. Já DASARATHY e THANDAVAMOORTHY (2012) realizaram
16
medições em Chennai, na Índia, e concluíram que o tráfego rodoviário é uma
das maiores fontes de ruído na cidade.
Figura 1 - Principais fontes de ruído em Curitiba-PR (ZANNIN et al., 2002).
Para quem dirige e para os passageiros do veículo o ruído excessivo
também é um problema. Apesar de hoje em dia os métodos e sistemas de
isolamento dos veículos serem cada vez mais eficientes, parte do ruído ainda é
transmitido aos ocupantes do automóvel. Os impactos danosos à saúde
causados pelo ruído, que foram citados anteriormente, são válidos também para
os passageiros e motoristas, sendo que neste último são mais perigosos. Isso
porque ao perder capacidade motora e mental ou experimentar aumento do
estresse por exemplo, o motorista está mais suscetível a eventuais acidentes de
trânsito, colocando não só a própria vida em risco, mas também a de quem está
próximo.
A fauna abrigada em torno de rodovias é também afetada pelo ruído. A
reprodução de algumas espécies é prejudicada pela interferência na
comunicação e também pelo estresse, notando-se então um declínio da
população dessas espécies nessas condições. Até mesmo grandes mamíferos
apresentam baixa população em áreas que distam de 100 a 200 metros de
rodovias (KNABBEN, 2012).
O ruído degrada então, não só a qualidade de vida da espécie humana, mas
também de outras espécies. Diante disso é notável o aumento da quantidade de
estudos em torno deste tema. Há hoje uma busca em todo mundo pela redução
dos níveis de ruído e da poluição sonora.
17
Neste contexto, existe também a redução dos níveis de ruído gerados pelos
automóveis, onde além destas motivações, há a motivação comercial. Ao
comprar um carro, um dos fatores analisados pelo cliente é o quão silencioso o
carro é. Dessa forma a indústria automotiva, ao mesmo tempo em que tenta
melhorar o isolamento acústico, busca diminuir os níveis de emissão de ruído de
seus veículos, de forma a garantir o máximo de conforto acústico aos ocupantes.
Outro setor afetado positivamente pela diminuição dos ruídos de tráfego é o
setor imobiliário. Em um estudo recente feito na Suécia estimou-se que devido
ao ruído de tráfico rodoviário, por ano, há uma perda de mais de 330 milhões
referentes apenas a desvalorização de imóveis residenciais (SANDBERG,
2001).
O ideal é controlar o ruído na fonte, mas quando isso não é possível,
alternativas como controlar o ruído no caminho que o mesmo percorre são
viáveis. Como pode ser visto na Figura 2 preocupação com o controle do ruído
é tanta, que em alguns países como Alemanha, Portugal, Inglaterra, entre outros,
é cada vez mais frequente o uso de barreiras acústicas junto as vias de tráfego
(AGUILERA, 2007).
Figura 2 - Barreira acústica em rodovia (Disponível em: http://www.lnz.com.br/arquivosSGC/SERV20090703073007barreira_acust.JPG
).
No ruído de tráfego, o tipo de veículo, a forma de condução e a velocidade
são fatores determinantes na geração de ruído. Percebe-se que em locais com
subida íngreme, locais mais sujeitos a passagem de veículos pesados, além de
locais onde a velocidade média dos veículos é maior, apresentam níveis de ruído
maiores do que por exemplo um declive onde costumam passar somente
veículos de passeio a baixa velocidade.
18
Essas variações ocorrem, entre outros fatores, devido ao fato de haver várias
fontes de ruído em um veículo, que são somadas e geram o ruído total. O
automóvel é um sistema complexo quando se trata de fontes geradoras de ruído
externo. O ruído emitido por um veículo resulta da soma de várias fontes que
atuam de forma simultânea (MACHADO, 2003).
O ruído de um veículo é proveniente principalmente do: motor, sistema de
aspiração, sistema de exaustão e pneus. SANDBERG (2001) afirma que em um
carro em aceleração até a velocidade de 50km/h o ruído dominante é o do motor,
mas que acima de 50km/h o ruído predominante é o ruído proveniente dos
pneus.
Quando se trata de um carro em velocidade constante a predominância do
ruído pneu-pavimento ocorre em velocidades ainda mais baixas. SANDBERG et
al. (2002) cita que em carros fabricados no ano de 1996 isso já ocorre em uma
velocidade de 15km/h, como mostrado na Tabela 1. Nos carros atuais, devido à
redução nos níveis de ruído aerodinâmico e também do motor, o ruído pneu-
pavimento é predominante a velocidades ainda menores.
Tabela 1 - Velocidade onde o ruído pneu-pavimento passa a ser maior que o do motor (SANDBERG et al., 2002 apud KNABBEN, 2012).
Dessa forma, nota-se a grande contribuição ruído proveniente dos pneus no
ruído total gerado pelo veículo, e consequentemente no ruído ambiental nas
grandes cidades. Assim, fica evidente a necessidade de estudar este meio de
geração de ruído.
No meio acadêmico o estudo de fenômenos como o ruído por exemplo, é
feito muitas vezes em laboratório. Para isso são utilizadas bancadas em escala
reduzida.
Bancadas em escala reduzida são formas de simular um sistema real para a
realização de experimentos ou estudos. Geralmente aliam versatilidade a baixo
custo nas experiências. Esses dispositivos são cada vez mais utilizados em
19
universidades e laboratórios de pesquisa e podem proporcionar resultados
compatíveis com os sistemas reais.
As bancadas experimentais desempenham papel importante dentro das
universidades, oferecendo ao estudante a oportunidade de verificar certos
efeitos teóricos, aplicando-os em atividades práticas de forma correlacionada.
As bancadas tornam possível a análise de resultados decorrentes de variações
nos parâmetros e dados de entrada, permitindo ao aluno tirar conclusões mais
aprofundadas sobre o tema ministrado (MACEDO DE LIMA, 2014).
A engenharia sempre precisou testar conceitos e aplicações em escala
reduzida em várias áreas, e com a evolução da eletrônica o uso de sistemas
experimentais tornou-se muito mais simples. Assim, a implementação de
bancadas de testes vem crescendo significativamente, sendo ferramentas
essenciais para o ensino nas universidades, assim como para atividades de
projeto e pesquisa (AMORIM, 2006).
Neste cenário, este trabalho apresenta o planejamento, projeto e construção
de uma bancada experimental e didática para a caracterização do ruído pneu-
pavimento.
1.2. JUSTIFICATIVA
O ruído pneu-pavimento já vem sendo estudado há várias décadas e ainda
assim parte dos fenômenos de geração de ruído ainda não foram totalmente
compreendidos, e as interações entre tipos diferentes de pneus e superfícies
ainda não foram estudadas em detalhes (SANDBERG, ULF, EJSMONT, JERZY
A., 2002 apud SILVA, 2011).
É importante estudar o ruído pneu-pavimento, já que em um veículo ele é o
ruído predominante, principalmente em altas velocidades, como mostrado na
Figura 3.
20
Figura 3 - Contribuição das fontes de ruído em um veículo (BERNHARD
et al., 2005) (Adaptado).
As medições in situ são caras, já que são necessários equipamentos para
posicionar os microfones de forma adequada, como pode ser visto na Figura 4.
Além disso, nas medições in situ são utilizados pavimentos já existentes, não
havendo a possibilidade de testar vários pavimentos em um mesmo local.
Figura 4 - Equipamento para teste de ruído pneu-pavimento
(RASMUSSEN et al., 1996).
Segundo KOWALSKI et al. (2013), até o momento há nenhum ou poucos
métodos para a predição de níveis de ruído de pneu-pavimento baseado em
testes laboratoriais. Isso porque a maioria das medições são feitas em campo,
em pavimentos já existentes, como mostrado na Figura 5 e na Figura 6.
21
Figura 5 - Medição de ruído pelo método estatístico de passagem
(SPECHT et al., 2009).
Figura 6 - Medição de ruído pelo método controlado de passagem
(Judith Rochat, U.S. DOT Volpe Center apud BERNHARD et al., 2005).
Testes e estudos feitos em laboratório, além de aproximar o aluno da ciência
e da tecnologia, treinam o aluno para a criatividade e para o desenvolvimento de
diferentes aplicações, no atendimento das necessidades humanas (PEKELMAN
e MELLO, 2004.)
Apesar de haverem empresas especializadas em construir e comercializar
bancadas, a maioria destes equipamentos tem custo elevado mediante os
recursos disponíveis nas instituições para esta finalidade. Além disso, quando
importadas, geram grande dificuldade de manutenção (FIGUEREDO, 2014).
Há hoje uma grande dificuldade na aquisição de bancadas por parte das
universidades, pois os recursos destinados a estes fins são limitados, o que torna
a compra demorada e muitas vezes inviável.
22
Segundo AMORIM (2006), o desenvolvimento de equipamentos didáticos de
baixo custo é uma alternativa para se minimizar a carência deste tipo de
equipamento nos cursos de engenharia de países em desenvolvimento.
Desta forma, é comum a construção de equipamentos e dispositivos pelos
próprios alunos da instituição, que além de construírem com baixo custo,
aproveitam esta oportunidade para aplicar os conceitos aprendidos no decorrer
do curso.
Estes argumentos justificam a construção de um dispositivo de
caracterização de ruído pneu-pavimento em escala reduzida. O dispositivo será
utilizado em laboratório tanto nas disciplinas relacionadas a parte de acústica e
vibrações nos cursos de engenharia quanto nas pesquisas nesta área no Lab.
NVH – Laboratório de Acústica e Vibrações do Campus Gama da Universidade
de Brasília.
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. Objetivo Geral
O objetivo deste trabalho compreende a concepção, projeto e construção
de um dispositivo de baixo custo para caracterização do ruído pneu-pavimento
em escala reduzida, visando fins didáticos e de pesquisa. Esse dispositivo deve
permitir variações no tipo de pavimento, no camber e na convergência da roda,
na carga sobre o pneu e na pressão do pneu, de modo a se medir, caracterizar
e estudar o ruído gerado com essas variações.
1.3.2. Objetivos Específicos
Medir ruído pneu-pavimento em escala reduzida em laboratório;
Variar parâmetros no dispositivo de modo a observar variações no ruído
medido.
Propiciar estudos futuros utilizando o dispositivo, seja em disciplinas
relacionadas ao tema ou em projetos de pesquisa.
1.4. METODOLOGIA PROPOSTA
Para o projeto do dispositivo foi feita uma ampla revisão bibliográfica na
literatura, artigos científicos e também em bancadas já existentes. A partir desta
pesquisa avaliou-se as vantagens e desvantagens de cada tipo de medição de
23
ruído pneu-pavimento e também de cada disposição de bancada. Considerando
principalmente as vantagens de cada uma, iniciou-se a concepção do
dispositivo, levando em conta o espaço disponível para alocação deste, na
faculdade UnB Gama.
Com algumas dimensões geométricas em mãos foi feita a modelagem em
CAD de um esboço do dispositivo, peça a peça, e depois efetuou-se a montagem
das peças em um mesmo espaço computacional. Foram utilizadas no esboço as
dimensões reais do dispositivo, em função do espaço disponível, para que fosse
possível utilizar o modelo em CAD como auxilio nas etapas de fabricação.
Com o posicionamento e modelo das peças já definidos, iniciou-se o
projeto dos componentes mecânicos, de modo a validar o uso do motor e caixa
de redução definidos e também validar as dimensões dos principais
componentes da bancada que estarão sujeitos a flexão e torção. Foi utilizado o
software SOLIDWORKS com o pacote Simulation para execução de análises
estruturais por elementos finitos dessas peças.
Com o projeto em mãos, foi feita a compra dos materiais e iniciou-se a
fabricação da bancada. Após a fabricação e montagem da bancada, foram
realizados testes experimentais para validação desta. O fluxograma da Figura 7
ilustra a metodologia utilizada no trabalho.
Figura 7 – Metodologia do trabalho.
Revisão Bibliográfica
Avaliação das Vantagens e
Desvantagens
Concepção do Dispositivo
Modelagem CAD do
Dispositivo
Projeto dos Componentes
Mecânicos
Fabricação da Bancada
Testes Experimentais e
Validação
24
1.5. ESTRUTURA DO TRABALHO
No capítulo 1 deste trabalho é apresentada a introdução sobre o tema, as
justificativas que levam a construção do dispositivo, assim como os objetivos e
a metodologia do trabalho.
O capítulo 2 apresenta fundamentos teóricos importantes para a
compreensão do trabalho e entendimento do dispositivo.
Já no capítulo 3 será mostrada toda a parte de concepção e projeto do
dispositivo, incluindo a modelagem em CAD e também as análises estruturais
que serão realizadas via SOLIDWORKS. Será realizada também no capítulo três
uma análise da viabilidade de custos do dispositivo.
O capítulo 4 apresenta as etapas de fabricação e montagem do dispositivo
de teste.
O capítulo 5 mostra os testes experimentais realizados para validação do
dispositivo.
No capítulo 6 é apresentada a conclusão do trabalho.
25
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Este capítulo apresenta uma breve introdução sobre som e ruído, e
posteriormente mostra especificamente os mecanismos de geração de ruído
pneu-pavimento. É apresentado também a instrumentação utilizada para
medição deste tipo de ruído e ainda detalhes acerca da análise de sinais
medidos.
2.1. SOM E RUÍDO
Segundo BISTAFA (2006), os sons são vibrações das moléculas de ar, que se
propagam por estruturas que vibram, porém nem todas estruturas que vibram
geram som. O ruído por sua vez é tido como um som desagradável, indesejável.
O som é qualquer variação da pressão atmosférica que o ouvido humano pode
captar, e pode ser associado a sensações agradáveis. Já o ruído é geralmente
associado a sensações indesejáveis, como pode ser exemplificado na Figura 8
(MATEUS, 2008).
Figura 8 - Som musical x ruído (NETTO, 2017) (Adaptado).
Segundo NEGRÃO (2009), o som ou ruído pode ser caracterizado com
dois atributos principais, a frequência e a intensidade. A frequência é o número
de ciclos em um segundo, e é expressa em Hertz (Hz). Seu inverso é chamado
de período, que é o intervalo de tempo em que um ciclo se completa. Um som
de baixa frequência é também chamado de som grave, enquanto um som de alta
frequência pode ser chamado de agudo, como é mostrado na Figura 9
26
Figura 9 - Som agudo x som grave (Disponível em:
http://www.feiradeciencias.com.br/sala10/10_t01.asp).
O deslocamento das partículas devido ao som causa flutuações de
pressão, que recebem o nome de pressão sonora. A unidade utilizada para a
pressão sonora é o Newton por metro quadrado (N/m²), ou Pascal (Pa). O ouvido
humano é capaz de notar pressões sonoras acima de 20 Pa (CALIXTO, 2002).
A intensidade sonora está ligada a quantidade de energia do som.
BISTAFA (2006) mostra que a intensidade sonora é a quantidade média de
energia que atravessa uma área unitária perpendicular a direção de propagação,
por unidade de tempo, e é dada em W/m². Dessa forma a intensidade sonora à
uma distância 𝑟 de uma esfera pulsante é dada por:
𝐼𝑟 =
𝑊
4𝜋𝑟²
(2.1)
onde 𝑊 é a potência sonora e 𝑟 é a distância da fonte ao receptor.
Para uma frequência de 1 kHz a faixa audível pelo ser humano está entre
as intensidades de 10−12 W/m² e 1 W/m² (limiar da dor), desta forma, devido a
amplitude dessa faixa de valores, é utilizada a escala logarítmica, como
mostrado na Figura 10 (AGUILERA, 2007).
27
Figura 10 - Escala logarítmica para pressão sonora (BISTAFA, 2006) (Adaptado).
Os valores do nível de pressão sonora podem ser obtidos por:
𝐿𝑝 = 20. log (
𝑝𝑒𝑓𝑖𝑐𝑎𝑧
𝑝0 ) 𝑑𝐵
(2.2)
sendo 𝐿𝑝 o nível de pressão sonora e 𝑝0 uma pressão sonora de referência.
Conforme BISTAFA (2006), se multiplicarmos a Intensidade Sonora, que
é dada em potência sobre unidade de área, pela área da superfície esférica
referente a esta intensidade, obtém-se a potência sonora em watts (W). Assim:
𝑊 = 𝐼𝑟 . 4𝜋𝑟² (2.3)
2.2. MECANISMO DE GERAÇÃO DE RUÍDO PNEU-PAVIMENTO
O ruído pneu-pavimento tem mecanismos de geração bastante
complexos, que podem ser divididos em dois grupos: mecânico ou estrutural e
aerodinâmico, como ilustrado na Figura 11. O primeiro é decorrente
principalmente de vibrações, e tem frequências baixas, geralmente abaixo de
1000 Hz. Já o aerodinâmico acontece devido a interações com o ar e tem
frequências mais altas, geralmente acima de 1000 Hz (SPECHT et al., 2009).
28
Figura 11 - Origens de ruído pneu-pavimento em um veículo (SANTOS, 2007).
SILVA (2011) lembra ainda que apesar de ser comum fazer esta distinção
entre contribuições aéreas e estruturais do ruído pneu-pavimento, a maior parte
das transmissões do ruído não é puramente aérea ou estrutural, mas sim uma
composição de ambas.
2.2.1. Estrutural
Os ruídos estruturais são provenientes do contato do pneu com o
pavimento. SANTOS (2007) classifica os mecanismos de geração mecânica ou
estrutural do ruído em quatro tipos:
Vibrações radiais e tangenciais do pneu;
Vibrações da parede lateral do pneu
Vibrações do tipo adere/desliza
Vibrações adere/descola
As vibrações radiais e tangenciais ocorrem pelo contato do pneu com a
textura do pavimento. Pode-se fazer uma analogia com um martelo golpeando
várias vezes o pneu, onde cada batida gera um som, conforme a Figura 12
(RASMUSSEN et al., 2007).
29
Figura 12 - Vibrações radiais no pneu (RASMUSSEN et al., 2007) (Adaptado).
Essas vibrações se originam na banda de rodagem do pneu, que é quem
está entrando em contato com o pavimento. Porém, essas vibrações são
transmitidas para toda a carcaça do pneu, e a parede lateral deste atua como
uma placa, ampliando e emitindo o som destas vibrações (FEHRL, 2006;
RASMUSSEN et al., 2007). Essas são as vibrações da parede lateral do pneu,
como mostrado na Figura 13.
Figura 13 - Vibrações da parede lateral do pneu (SANDBERG et al., 2002 apud BERNHARD et al., 2005) (Adaptado).
Segundo DONOVAN et al. (1980) apud SANTOS (2007), este mecanismo de
geração de ruído estrutural origina ruído em frequências que variam de 500 Hz
a 1000 Hz, em uma intensidade que pode chegar a 89 dB.
Quando o contato entre o pneu e o pavimento transfere as forças de
tração do pneu para o pavimento em uma aceleração e também nas frenagens,
ocorrem as vibrações do tipo adere/desliza, que na língua inglesa são chamadas
de slip-stick, mostradas na Figura 14. Quando se acelera ou freia o veículo,
partes do pneu deslizam quando o limite de aderência é ultrapassado e aderem
novamente, gerando ruído e vibrações (BERNHARD et al., 2005).
30
Figura 14 - Vibrações do tipo adere/desliza (RASMUSSEN et al., 2007) (Adaptado).
Há ainda as vibrações decorrentes da aderência do pneu ao pavimento,
principalmente em pavimentos mais lisos e limpos. Chamadas de adere/descola
ou stick-snap, são causadas pela adesão do pneu à superfície do pavimento,
que ao se “descolar” gera vibração e ruído na carcaça do pneu (KNABBEN,
2012). Esse mecanismo de geração de ruído é mostrado na Figura 15.
Figura 15 - Vibrações do tipo adere/descola (RASMUSSEN et al. 2007)
(Adaptado).
2.2.2. Aerodinâmico
Os ruídos chamados de aerodinâmicos são decorrentes das interações
do pneu e pavimento com o ar e também do movimento de ar em torno destes
(SPECHT et al., 2009). São classificados em:
Ressonância na cavidade do pneu;
Bombeamento de ar;
Radiação da ressonância de ar;
Ressonância tubular
Segundo BERNHARD et al. (2005), a ressonância na cavidade do pneu
ocorre quando a carcaça do pneu vibra, fazendo com que o ar contido no interior
31
do mesmo entre em ressonância, passando a vibrar também. Este fenômeno é
mais audível no interior do veículo e não contribui muito no ruído externo.
SPECHT et al. (2009) considera o ruído proveniente do bombeamento de
ar o mais relevante entre os mecanismos de geração de ruído aerodinâmico. Ele
ocorre devido a uma compressão do ar abaixo do pneu quando parte deste entra
em contato com o pavimento, e uma rápida expulsão quando o contato desta
parte deixa de existir, como ilustrado na Figura 16.
Figura 16 - Ruído por bombeamento de ar em pneus (FEHRL, 2006) (Adaptado).
A radiação da ressonância de ar ou ressonância de Helmholtz é um
mecanismo que realça o ruído pneu-pavimento. A ressonância de Helmholtz
ocorre quando há passagem de ar por uma cavidade e devido a isso o ar ressoa.
O fenômeno ocorre na parte traseira do pneu e tem frequências entre 1000 Hz e
2000 Hz (KNABBEN, 2012). Este mecanismo é mostrado na Figura 17.
32
Figura 17 - Radiação da ressonância de ar na parte traseira do pneu (SILVA, 2011) (Adaptado).
Os blocos do pneu, quando em contato com a superfície, constituem um
sistema de tubos de ressonância. As frequências de ressonância dependerão
das propriedades geométricas, sem haver relação com a velocidade de rotação
da roda (KUIJPERS et al., 2001). Segundo RASMUSSEN et al. (2007), quando
um som é emitido em um tubo ele é amplificado na saída, assim os sulcos do
pneu funcionam como amplificadores, como na Figura 18.
Figura 18 - Fenômeno de ressonância tubular nos sulcos do pneu (RASMUSSEN et al., 2007).
Sabe-se que os ruídos aerodinâmicos em geral têm uma frequência mais
alta que os estruturais, porém cada mecanismo de ruído aerodinâmico também
tem uma faixa de frequências característica. A frequência e a intensidade do
ruído variam de acordo com o tipo de pneu, o tipo de superfície e etc. O
bombeamento de ar origina ruído em frequências de 1000 Hz até 2500 Hz, com
intensidades que vão de 74 a 82 dB (DONOVAN et al., 1980 apud SANTOS,
2007). Já a radiação da ressonância de ar é notada em frequências que variam
de 1000 Hz a 2000 Hz (KNABBEN, 2012).
33
2.3. NORMATIVAS RELACIONADAS AO RUÍDO PNEU-PAVIMENTO
Normativas são criadas para estabelecer regras e diretrizes para
produtos, serviços ou processos, melhorando a qualidade destes. Quando se
trata de ruído pneu-pavimento não é diferente. Existe hoje uma série de normas
acerca das medições deste tipo de ruído.
Há vários métodos para medição de ruído pneu pavimento. Estes
métodos constam principalmente em normas ISO, criadas pela Organização
Internacional de Padronização para melhorar qualidade de produtos e serviços,
mas podem ser encontrados também em Normas Francesas e Decreto-Lei.
Pode-se citar o método estatístico de passagem, que tem suas regras
estabelecidas na norma ISO 11819-1: 1997, e o método da estrita proximidade,
que é normatizado pela ISO/DIS 11819-2: 2000 (SANTOS, 2007).
KNABBEN (2012) cita ainda outros métodos existentes, como os métodos
da passagem controlada e da superfície estendida, que são regidos pelas
normativas NF S31-119-2: 2000 e ISO 13472-1: 2002 respectivamente. Segundo
GAIL et al. (2014) há a normativa ISO 13325: 2003, que descreve os métodos
para medição do tipo coast-by, onde o ruído é medido com o motor do carro
desligado.
A Figura 19 mostra o sitio de ensaio de ruído pneu pavimento pelo método
da passagem controlada, definido pela norma ISO 362.
Figura 19 - Sítio de ensaio para método de passagem controlada definido por norma (ISO 362: 1998 apud CALLAI, 2008).
34
2.4. INSTRUMENTAÇÃO
A medição do ruído pneu-pavimento pode ser feita basicamente por dois
caminhos. O mais simples é com a utilização de um medidor de NPS, que
fornece o nível de pressão sonora global em dB(A). Outra forma de medir é
através de um microfone ligado a um condicionador de sinais, que fornece o sinal
ao computador através de uma placa de aquisição. Os métodos são
apresentados no fluxograma da Figura 20.
Figura 20 – Caminhos de medição de ruído pneu-pavimento.
A seguir serão apresentados os instrumentos utilizados para medição do ruído
pneu-pavimento pelas formas citadas acima, assim como as ferramentas para
análise dos sinais obtidos.
2.4.1. Microfone Capacitivo
Microfones são transdutores de pressão utilizados para medir grandezas
acústicas. São encontrados vários tipos de microfone, como os
eletromagnéticos, capacitivos, piezoelétricos e resistivos, mas os mais utilizados
são os capacitivos (BIANCOLLI, 1981 apud RÊGO, 2007).
GASPAR (1994) cita que microfones capacitivos, como o mostrado na
Figura 21, são amplamente utilizados, podendo ser úteis em aplicações como:
gravações, amplificação, análise de ruído em máquinas, assim como medições
35
de nível e pressão sonora. O funcionamento deste tipo de microfone é igual aos
sensores de pressão capacitivos, mas com otimização para detectar sons.
Figura 21 - Microfone 377B02 da PCB (Disponível em: http://www.pcb.com/products.aspx?m=377B02).
Os microfones capacitivos são formados por uma membrana metálica de
formato circular presa a dois distanciadores isolantes, e uma placa perfurada
rígida, como mostrado na Figura 22. Essa membrana varia com as ondas
sonoras, fazendo com que os eletrodos do capacitor se aproximem e afastem,
gerando variações capacitivas. Essas variações capacitivas são captadas em
forma de variação de tensão, devido a diferença de potencial existente entre os
dois eletrodos (RÊGO, 2007).
Figura 22 - Diagrama simplificado do microfone capacitivo (VALLE,
2015).
Segundo BISTAFA (2006), este tipo de microfone tem resposta plana em
uma ampla faixa de frequências e apresenta excelente resposta em altas
frequências, além de ser estável. Como desvantagens, os microfones
capacitivos têm alta sensibilidade a umidade e custo relativamente alto se
comparado a outros tipos de microfones.
Como citado anteriormente, este tipo de microfone é muito utilizado na
análise de ruído em máquinas, desta forma pode ser utilizado também na
medição de ruído pneu-pavimento.
36
2.4.2. Medidor de Nível de Pressão Sonora
BISTAFA (2006) cita que o nível de pressão sonora é a grandeza acústica
que determina a sensação subjetiva da intensidade dos sons, por isso o medidor
de nível sonoro é o componente básico de instrumentos para medidas acústicas.
Segundo AGUILERA (2007), o medidor de nível de pressão sonora ou
sonômetro, é também conhecido popularmente como “decibelímetro”, e é
constituído basicamente de um microfone, um amplificador e um aparelho
medidor. A partir deste tipo de aparelho, mostrado na Figura 23, é possível
identificar e localizar fontes de ruído, além de determinar a potência dessas
fontes.
Figura 23 - Medidor de nível sonoro Larson Davis Soundtrack LxT (Disponível em: http://www.mip.fi/cms/fi/mittalaitteet/melu-ja-
aeaeni/aeaenitasomittarit/tarkkuusluokka-2-mittarit/309-larson-davis-soundtrack-lxt-aeaenitasomittari).
Existem modelos de sonômetros mais simples, que registram apenas o nível
de pressão sonora global em dB(A), e também modelos mais sofisticados que
podem registrar a pressão sonora em outras escalas ponderadas de frequência.
(GERGES e ARENAS, 2010 apud KNABBEN, 2012).
BRITO (1999) cita que o circuito de medição desses instrumentos pode ter
respostas lentas e rápidas. São desejadas respostas lentas em medições cujo
nível varia excessivamente, obtendo-se um valor médio dessas medições. As
respostas rápidas são empregadas para medição de ruídos contínuos de nível
constante ou para ruídos intermitentes.
37
Segundo KNABBEN (2012), o sonômetro, como mostrado na Figura 24, é
constituído de:
Microfone com uma resposta em frequência;
Circuito que processa eletronicamente o sinal;
Unidade de leitura;
Saída para ligação do sonômetro ao osciloscópio para visualização da
forma da onda sonora.
Figura 24 - Componentes básicos do medidor de nível sonoro (BISTAFA, 2006).
Como já mostrado anteriormente na Figura 5 e na Figura 6 deste trabalho,
o sonômetro é utilizado para medições de ruído pneu-pavimento pelos métodos
estatístico de passagem e controlado de passagem, assim como por outras
metodologias.
2.4.3. Condicionador/Amplificador de Sinais
Nas medições feitas com a utilização de sensores, é necessário condicionar os
sinais fornecidos por estes, para que o dispositivo de aquisição efetue a medição
de forma correta.
O circuito condicionador de sinais é utilizado para converter e amplificar um sinal,
de modo que a tensão fornecida seja adequada a placa de aquisição
analógico/digital. Além de amplificar, o condicionador de sinais possui filtros
passa-baixos que servem para atenuar os sinais de alta frequência, para que
estes não interfiram na medição (TAMBARA et al., 2005).
Quando necessário, os amplificadores aumentam o nível de tensão para
aumentar a resolução e a sensibilidade da medição. Já quando o oposto ocorre
38
e as tensões a serem digitalizadas estão muito altas, o condicionador se sinais
é responsável por realizar a atenuação deste sinal (National Instruments.
Disponível em: http://www.ni.com/white-paper/10630/pt/).
2.4.4. Placa de Aquisição Analógico/digital
Segundo NALON (2009) os sinais são por natureza analógicos e são
então representados por uma função contínua. Assim, um sinal desta natureza
não pode ser diretamente representado e tratado adequadamente por um
processador digital, como é o caso de um computador.
Para que os sinais analógicos condicionados pelo condicionador de sinais
possam ser processados em um computador, é preciso que sejam convertidos
para sinais digitais. O dispositivo que realiza essa conversão é a placa de
aquisição analógico/digital. Esse dispositivo também pode realizar o inverso,
convertendo sinais do computador em dados analógicos, como mostrado na
Figura 25.
Figura 25 - Sistema de aquisição de dados (Disponível em:
http://www.ni.com/data-acquisition/what-is/pt/).
Entre os principais componentes de um dispositivo de aquisição de sinais
como o mostrado na Figura 26, está o conversor analógico digital (ADC – Analog-
to-Digital Converter). Este componente é um chip que fornece a representação
digital de um sinal analógico em um instante de tempo, coletando amostras
periódicas do sinal em uma taxa pré-definida e transferindo-as ao computador
via barramento (National Instruments. Disponível em: http://www.ni.com/data-
acquisition/what-is/pt/).
39
Figura 26 - Placa de aquisição National Instruments cDAQ-9171
(Disponível em: https://www.detail.1688.com/pic/45376044539.html?spm=0.0.0.0.FcDYUL/).
Característica bastante importante da placa de aquisição é a sua
resolução. A resolução é o número de bits que a placa utiliza para representar o
sinal analógico, dessa forma, quanto maior a resolução, maior o número de
divisões em que a faixa do sinal será representada. A resolução é uma indicação
da precisão do dispositivo (National Instruments. Disponível em:
http://www.ni.com/white-paper/13493/pt/).
A conexão das placas de aquisição com o computador varia de acordo
com o modelo da placa, podendo ser via USB, PCI e até mesmo WIFI.
2.4.5. Software de Aquisição de Dados
Segundo GRANDO (2013), o equipamento de aquisição necessita de um
software de aquisição de dados para funcionar, pois é o software que controla a
operação do dispositivo. O software é também usado para o processamento e
visualização dos dados adquiridos, além de armazenar estes dados. É
importante também que o computador onde o software será instalado tenha
capacidade de processamento compatível com os dados que serão adquiridos.
Um software bastante utilizado para este fim é o LabVIEW. Trata-se de
um ambiente de desenvolvimento integrado baseado na linguagem de
programação gráfica G. O LabVIEW usa um modelo de fluxo de dados ao invés
de uma sequência de linhas e texto, possibilitando ao usuário escrever códigos
funcionais usando um layout visual mais intuitivo (NATIONAL INSTRUMENTS.
Disponível em: http://www.ni.com/labview/pt/).
Conforme DZIALOSZYNSKI (2015), a programação em LabVIEW se
organiza em dois planos, o Painel Frontal (Front Panel) e o Diagrama de Blocos
(Block Diagram), como apresentado na Figura 27.
40
NERY (2013) apud DZIALOSZYNSKI (2015) cita que o Painel Frontal é a
interface do usuário com o programa criado pelo programador. Dessa forma, no
Painel Frontal devem haver controles (entradas) e indicadores (saídas) e
também outras informações adicionais que serão necessárias ao usuário. Já o
diagrama de blocos é o código do programa.
Figura 27 - Diagrama de Blocos e Painel Frontal em ambiente LabVIEW
(DZIALOSZYNSKI, 2015).
A utilização dos instrumentos apresentados será detalhada no capítulo de
Metodologia, onde estes serão utilizados para obter sinais de ruído pneu-
pavimento através do dispositivo de teste.
2.5. ANÁLISE DE SINAIS
Antigamente os sinais obtidos eram convertidos em formas de onda de
corrente ou tensão, para que pudessem ser tratados eletronicamente por
elementos de circuito. Hoje em dia, com a evolução da tecnologia e a
possibilidade de converter estes sinais para sinais analógicos, pode-se
processá-los via programa (NALON, 2009).
2.5.1. Sistemas Lineares
Um sinal é um conjunto de dados e informações, que pode ser
posteriormente processado por um sistema. O sistema pode modificar ou extrair
informações adicionais deste sinal. Desta forma um sistema tem como entrada
os sinais, e após processá-los fornece como saída um outro conjunto de sinais
(LATHI, 2007).
OPPENHEIM (2010) descreve sistemas lineares como sistemas que tem
a propriedade da superposição, ou seja, se uma entrada é a soma ponderada de
41
vários sinais, a saída deve ser a superposição ou a soma ponderada das
respostas do sistema a cada um dos sinais de entrada.
Conforme NALON (2009), um sistema linear deve satisfazer o princípio da
superposição e também o princípio da homogeneidade. Caso não obedeça uma
destas, o sistema é chamado então de não-linear.
Segundo OPPENHEIM (2010), considerando que a resposta de um
sistema a uma entrada x1(t) é uma saída y1(t), e a resposta a uma entrada x2(t)
é uma saída y2(t), este sistema é dito linear se:
𝑥1(𝑡) + 𝑥2(𝑡) tem como resposta 𝑦1(𝑡) + 𝑦2(𝑡);
𝑎𝑥1(𝑡) tem como resposta 𝑎𝑦1(𝑡), sendo 𝑎 qualquer constante complexa.
Estas duas propriedades são conhecidas respectivamente como propriedade da
aditividade e propriedade da homogeneidade.
2.5.2. Transformada de Fourier
No tratamento de um sinal é muito importante a análise em frequência,
feita através da transformada de Fourier. Isso porque é mais comum descrever
um sinal pelas suas características no domínio da frequência do que no tempo
(NALON, 2009).
Ainda segundo NALON (2009), ao se analisar um sinal no domínio da
frequência torna-se possível obter informações relevantes a respeito deste sinal,
que não poderiam ser obtidas caso este fosse analisado somente no domínio do
tempo. A transformada de Fourier é um método adequado para o estudo de
sinais não-periódicos ilimitados no tempo, ou seja, sinais que se estendem por
todo o domínio do tempo discreto.
Considerando 𝑔(𝑡) como um sinal não periódico expresso como função
do tempo 𝑡, temos a transformada de Fourier deste sinal, que é dada pela
integral:
𝐺(𝑓) = ∫ 𝑔(𝑡). exp(−𝑗2𝜋𝑓𝑡) 𝑑𝑡
∞
−∞
(2.4)
Onde 𝑓 representa a frequência e j = √−1. Para recuperar o sinal original utiliza-
se a transformada inversa de Fourier:
42
𝑔(𝑡) = ∫ 𝐺(𝑓). exp(𝑗2𝜋𝑓𝑡) 𝑑𝑓
∞
−∞
(2.5)
𝐺(𝑓) é chamada de equação de análise, pois a partir de um sinal no
domínio do tempo é possível analisa-lo no domínio da frequência. Já 𝑔(𝑡) é
chamada de equação de síntese, que é capaz de reconstruir o sinal original no
domínio do tempo, sem perda de informações (HAYKIN e MOHER, 2008). A
Figura 28 apresenta estas operações.
Figura 28 - Transformada de Fourier e transformada inversa de Fourier
(HAYKIN e MOHER, 2008).
2.5.3. Densidade Espectral de Potência
A densidade espectral de potência ou PSD (Power Spectral Density) de
um sinal define a densidade de potência por unidade de banda em função da
frequência do sinal. É dada em watt por radiano por segundo ou simplesmente
watt por hertz (FILHO, 2015).
A função densidade espectral de potência é dada por:
𝑆𝑥(𝑓) = lim
𝑇→∞
1
2𝑇|𝑋𝑇(𝑓)|2
(2.6)
Onde 𝑆𝑥(𝑓) é a densidade espectral de potência ou espectro de potência de um
sinal de potência x(t), e 1
2𝑇|𝑋𝑇(𝑓)|2 é o periodograma do sinal (HAYKIN E
MOHER, 2008).
A partir da equação 6 pode-se perceber que a densidade espectral de
potência é uma quantidade de valor real e não negativa para todas as
frequências, e também temos que:
43
𝑃 = ∫ 𝑆𝑥(𝑓) 𝑑𝑓
∞
−∞
(2.7)
Onde se observa que a área total sob a curva da densidade espectral de potência
de um sinal de potência é igual a potência média do sinal (HAYKIN e MOHER,
2008).
FILHO (2015) cita a importância da função 𝑆𝑥(𝑓) para a medida de
sistemas práticos, tanto nos quais o sinal é determinístico quanto nos quais o
sinal é aleatório, pois ela contém informações de magnitude. Além disso, quando
um sinal não possui representação matemática e, portanto, não possui
transformada de Fourier, a Densidade Espectral é uma forma de caracterizá-lo.
2.5.4. Filtros de 1/1 e 1/3 de Oitava
Os medidores de ruído ou vibração fornecem níveis globais das
grandezas medidas, e em alguns casos é necessário saber cada um dos
componentes de frequência do sinal, fazendo uma análise de frequência ou
análise espectral. Os filtros permitem somente a passagem das componentes do
sinal contidas em uma certa banda de frequência (GERGES, 1992).
Segundo BISTAFA (2006), filtros são elementos que tornam possível a
extração da energia sonora de um som em bandas de frequência. Os filtros são
uma espécie de ressonadores e tem o mesmo princípio de funcionamento do
conduto auditivo, mas ao invés de serem mecânicos, os usados na
instrumentação de medição acústica são eletrônicos.
Basicamente há três tipos de filtro para medições acústicas. O filtro passa
baixo permite apenas a passagem das componentes de frequência abaixo de
sua frequência de corte, já o passa alta permite somente que as componentes
de frequência acima de sua frequência de corte passem. Há ainda o passa
banda, que tem frequências de corte superior e inferior e permite apenas que as
componentes de frequência que estão entre estas duas passem (GERGES,
1992).
BISTAFA (2006) lembra que para análise espectral o tipo de filtro utilizado
é o passa banda, e normalmente são utilizados os filtros de banda percentual
constante, ou filtros de 1/𝑛 oitava. Estes filtros são identificados geralmente pela
sua frequência central (𝑓𝑐), mas são caracterizados também pela frequência de
44
corte inferior (𝑓𝑖) e pela frequência de corte superior (𝑓𝑠). A largura de banda
desse tipo de filtro é dada então por:
∆𝑓 = 𝑓𝑠 − 𝑓𝑖 (2.8)
Onde as frequências de corte inferior (𝑓𝑖) e superior (𝑓𝑠) são:
𝑓𝑖 = (2−1/2𝑛) ∗ 𝑓𝑐 (2.9)
𝑓𝑠 = (21/2𝑛) ∗ 𝑓𝑐 (2.10)
GERGES (1992) cita que para medição de ruído os filtros de banda
percentual constante mais utilizados são os de 1/1 e 1/3 oitava, exemplificados
na Figura 29. São estes os filtros recomendados na maioria das normas e
legislações relativas ao ruído.
Figura 29 - Espectros de frequência de um mesmo som em filtros de
oitava e de 1/3 de oitava (RASMUSSEN et al., 2007) (Adaptado).
A largura de banda desses filtros são uma porcentagem constante da frequência
central, desta forma a largura de banda cresce progressivamente com o aumento
da frequência. Outra observação importante é que quanto maior o 𝑛, do filtro de
1/𝑛 oitava, mais estreita será a largura de banda deste, e portanto mais
detalhados são os espectros sonoros obtidos.
Observa-se na Figura 30 que quanto maior o 𝑛, menor a largura de banda,
e dessa forma o nível de pressão sonoro registrado pelo filtro de 1/3 de oitava
também é menor, pois menos frequências são incorporadas. Por outro lado,
observa-se que o espectro registrado pelo filtro de 1/3 oitava é mais detalhado e
fornece mais informações sobre o ruído.
45
Figura 30 - Espectros de um mesmo ruído obtidos com filtros diferentes
(BISTAFA, 2006).
BISTAFA (2006) observa ainda que quanto maior a frequência, maior o
nível de pressão sonora. Isso ocorre pois nos filtros de banda percentual
constante quanto maior a frequência central maior a largura de banda e então
mais frequências são incorporadas ao espectro.
A aplicação de alguns dos instrumentos aqui citados será mostrada no
capítulo de testes experimentais, onde estes serão utilizados para obter sinais
de ruído no dispositivo de teste que será proposto a seguir.
46
3. PROJETO DO DISPOSITIVO DE TESTE
Este capítulo apresenta as etapas para o projeto do dispositivo de teste,
começando pela concepção até o projeto final em CAD, assim como o projeto de
cada elemento do dispositivo.
3.1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA PARA CONCEPÇÃO DO DISPOSITIVO
Para a concepção do dispositivo de teste, primeiramente foi feita uma
ampla pesquisa bibliográfica utilizando trabalhos relacionados com o tema da
pesquisa, considerando tanto trabalhos com medições in situ quanto trabalhos
que utilizaram bancadas experimentais.
Serão mostrados a seguir os principais trabalhos referentes a medições
in situ, seguidos dos trabalhos em que foram utilizadas bancadas experimentais
ou dispositivos de teste.
Hoje as principais metodologias usadas para medição em campo de ruído
pneu-pavimento são o método estatístico de passagem (Statistical Pass-By -
SPB), método controlado de passagem (Controlled Pass-By - CPB) e método da
estrita proximidade (Close Proximity – CPX) (HANSON, JAMES e NESMITH,
2004). Nesses métodos, o ruído é medido em campo, com carros e pavimentos
em escala real.
SANTOS (2007) observou que uma grande desvantagem desses
métodos é o fato de o ruído aerodinâmico do veículo causar muita incerteza na
medição. Além disso, para se testar novos tipos de pavimento, é necessário a
construção de uma grande porção de pista para que se possa medir o ruído com
estes métodos. Isso gera grande custo e torna esse tipo de teste inviável para
esse fim.
Outra desvantagem dos métodos citados acima é em relação a fixação da
instrumentação. Nos métodos estatístico e controlado de passagem são
necessários aparatos extra para o posicionamento da instrumentação, como
tripés ou suportes. No método da estrita proximidade é necessário toda uma
estrutura pensada para fixar e posicionar os microfones ao veículo, o que dificulta
e eleva o custo da medição.
No método estatístico de passagem os microfones são posicionados ao
lado da rodovia, nas posições definidas pela norma ISO 11819-1, e assim mede-
47
se a velocidade e o ruído gerado pelos veículos que passam no trânsito normal
da rodovia (SPECHT et al., 2009). KNABBEN (2012) cita algumas desvantagens
deste método, como: influência do ruído do motor nas medições, influência do
ruído emitido por outros veículos que passam na via, e a idade dos veículos e o
tipo dos pneus não são controlados. Outra desvantagem é a necessidade de
realização de várias medições. A Figura 31 ilustra a medição pelo método
estatístico de passagem.
Figura 31 - Medição de ruído pelo método estatístico de passagem (SPECHT et al., 2009).
O método controlado de passagem usa basicamente o mesmo esquema
de medição do método estatístico de passagem, porém em uma via sem trânsito,
com veículos e velocidades selecionados. Por este método, apesar de haver um
controle quanto ao estado do veículo utilizado assim como o tipo de pneus deste,
ainda há as outras desvantagens citadas anteriormente, que ocorrem no método
SPB (BERNHARD e WAYSON, 2005). A Figura 32 refere-se a uma medição pelo
método controlado de passagem.
48
Figura 32 - Medição de ruído pelo método controlado de passagem (Judith Rochat, U.S. DOT Volpe Center apud BERNHARD et al., 2005).
Há ainda métodos que medem de forma mais próxima o ruído pneu-
pavimento, com microfones posicionados ao lado do pneu. Geralmente
posiciona-se o microfone através de um dispositivo instalado na própria roda do
veículo, como no método CPI (Close Proximity Sound Intensity), exemplificado
na Figura 33, ou se utiliza um trailer, que é puxado pelo veículo e contém além
dos microfones, um isolamento na caixa de rodas (SPECHT et al., 2009). Este
último é chamado de CPX (Close Proximity) e é mostrado na Figura 34.
Figura 33 - Medição de ruído pelo método CPI (WANG et al., 2012).
49
Figura 34 - Medição de ruído pelo método CPX (SLAMA, 2012).
RASMUSSEN et al. (1996) apresenta em seu trabalho uma técnica de
medição chamada de STSF, que usa diversos microfones presos a uma
estrutura no veículo, de modo a mapear o ruído gerado naquele local. A forma
de medição e também parte dos resultados obtidos pode ser visto na Figura 35.
(a) (b)
Figura 35 – Medições (a) e resultados (b) via método STSF (RASMUSSEN et al., 1996) (Adaptado).
Uma grande vantagem deste método é a possibilidade de se mapear o
ruído pneu-pavimento, podendo analisar qual dos mecanismos de geração tem
maior intensidade. A desvantagem do método se encontra no custo, devido ao
uso de vários microfones e da necessidade de uso da estrutura para fixação.
BERNHARD et al. (2005) utiliza em seu trabalho o dispositivo mostrado
na Figura 36 para teste de ruído pneu-pavimento em laboratório. O dispositivo é
usado para analisar o ruído gerado por diferentes composições de pavimento.
Uma grande vantagem deste dispositivo é poder realizar testes em laboratório,
além também da possibilidade de variação do tipo de pavimento. Como
50
desvantagem temos o tamanho do dispositivo, que ocupa um grande espaço e
necessita de um ambiente dedicado ao teste, além do alto custo.
Figura 36 - Dispositivo para teste de ruído pneu-pavimento em laboratório (BERNHARD et al., 2005).
SANDBERG et al. (2013) apresenta em seu trabalho um dispositivo que
é usado em laboratório para teste de ruído pneu pavimento no desenvolvimento
de novos tipos de pavimentos silenciosos. O dispositivo, que é mostrado na
Figura 37, apresenta como vantagem um tamanho razoável, que permite que
seja utilizado em laboratório. A possibilidade de se variar o pavimento a ser
utilizado no teste também é uma grande vantagem deste dispositivo. A
desvantagem deste sistema é o fato de o pavimento girar juntamente com a roda,
tornando impossível o teste com determinados tipos de pavimento, que
causariam um desbalanceamento no conjunto e poderiam até mesmo se
desprender durante o teste.
Figura 37 - Dispositivo de teste de ruído pneu-pavimento pelo método do tambor giratório (SANDBERG et al., 2013).
Em busca de novas configurações de dispositivos, além das pesquisas
bibliográficas referentes a dispositivos de teste de ruído pneu-pavimento, foi
51
realizada breve pesquisa sobre outros dispositivos e testes que fazem interação
entre pneu-pavimento, mas sem intuito de medição de ruído.
CORTÉ (2001) utiliza em sua pesquisa sobre novas misturas de asfalto
uma máquina que realiza testes acelerados de resistência e durabilidade do
pavimento. A máquina apesar de ter outra finalidade, possui disposição e
configuração bem interessantes, que poderiam ser utilizadas também para a
medição de ruído pneu-pavimento. Observa-se como vantagem o fato de o
pavimento ficar na horizontal e imóvel, o que possibilita o uso de diversos tipos
de pavimento e também uma facilidade na confecção dos quais. O tamanho da
máquina, como mostrado na Figura 38, é uma desvantagem, já que torna
impossível a utilização em laboratório.
Figura 38 - Dispositivo para teste de durabilidade de pavimentos (CORTÉ, 2001).
Após análise dos trabalhos considerados na revisão bibliográfica
juntamente com as vantagens e desvantagens citadas para cada dispositivo e
modelo, neste trabalho é proposto um dispositivo em escala reduzida para
medição de ruído pneu-pavimento. O próximo item apresentará a proposta
desta.
A concepção da bancada experimental levou em conta a restrição de
custo da bancada, já que a mesma deverá ser fabricada com recursos próprios
ou disponíveis na Universidade de Brasília. Além disso, foi considerado também
a restrição de espaço, pois esta deverá ser instalada em espaço disponível na
faculdade UnB Gama.
52
3.2. PROPOSIÇÃO CAD DO DISPOSITIVO
Com as conclusões tiradas no item 3.1 iniciou-se a idealização da
bancada, e após definir alguns componentes a serem utilizados nesta, iniciou-se
a modelagem CAD (Computer Aided Design). A modelagem foi feita via software
CATIA em sua versão V5R19. Este capítulo apresenta então apenas o esboço
da bancada, já que o projeto de seus elementos mecânicos será tratado no
capítulo 3.3.
Cada peça do modelo foi modelada separadamente com a ferramenta
Part Design. Ao final as peças foram montadas com a ferramenta Assembly
Design, que permite a criação de restrições para que cada peça fique no local e
posicionamento a ela designado.
Esta ferramenta permite, além da possibilidade de visualização do
dispositivo como um todo, a verificação das dimensões e também dos encaixes
de cada peça, garantindo que após a fabricação elas possam ser montadas
corretamente.
Em função do espaço disponível para alocação da bancada na faculdade
UnB Gama, todas as dimensões geométricas reais do dispositivo foram definidas
e reproduzidas no software, de modo a obter um modelo o mais próximo possível
do real, para que este sirva de auxílio nas etapas de fabricação da bancada.
O primeiro modelo proposto do dispositivo, contava com um conjunto
motor e caixa de redução ligados diretamente a um braço. Este braço por sua
vez era conectado a um outro braço de forma articulada onde era acoplada a
roda. Esta roda descreve movimento circular em torno de uma pista, como
indicado pelas setas na Figura 39, que apresenta o esboço em CAD do modelo
inicial do dispositivo.
53
Figura 39 - Esboço do modelo inicial da bancada em CAD.
Na Figura 40 pode-se observar a vista superior do primeiro modelo
proposto, assim como suas principais dimensões geométricas.
Figura 40 - Vista superior do modelo inicial bancada em CAD.
54
Como mostrado, neste modelo a bancada teria 88cm de largura, e a roda
iria circular em uma pista de 37cm de raio. A Figura 41 mostra detalhadamente
o mecanismo de articulação e regulagem de altura e cambagem da roda neste
modelo, que tinha cinco níveis.
Figura 41 - Vista do modelo inicial com detalhe para a articulação e regulagem da roda.
Após discutir e analisar a viabilidade deste primeiro modelo junto aos
professores e técnicos, foram feitas várias alterações, de modo que além de se
tornar mais resistente e viável funcionalmente, o dispositivo fosse também mais
versátil.
Foi feito então o esboço em CAD do modelo final da bancada, que pode
ser visto nas Figura 42, Figura 43 e Figura 44.
55
Figura 42 – Esboço do modelo final da bancada em CAD.
Figura 43 – Vista da estrutura do modelo final da bancada em CAD.
56
Figura 44 - Vista do modelo final com detalhe para os mecanismos de
regulagem disponíveis.
A pista do dispositivo foi projetada como uma peça independente da
estrutura, como mostrado na Figura 45, de modo que haja a possibilidade de
variação do tipo de pavimento. Assim, ela pode ser facilmente removida e
trocada. Isso permite que em utilizações futuras da bancada possam ser
confeccionadas novas pistas com diferentes pavimentos.
Figura 45 – Pista do dispositivo.
Inicialmente será fabricada apenas uma pista para o dispositivo. A pista é
o componente de maior custo do dispositivo, dessa forma, as restrições de custo
57
do projeto não permitem que sejam construídas mais pistas. A pista que será
construída terá pavimento de concreto.
No caso de testes futuros com pavimentos emborrachados, ou
pavimentos como terra e areia por exemplo, é possível utilizar esta mesma pista
de concreto e apenas alocar o novo pavimento em cima do concreto, já que a
pista terá espaço disponível para isso. Já em utilizações futuras do dispositivo
com novos pavimentos asfálticos ou de concreto, será necessário a construção
de novas pistas para serem acopladas ao dispositivo.
No modelo final apresentado foram adicionadas novas regulagens e
possibilidades de variação no dispositivo, como a regulagem de convergência e
a variação da carga do pneu por exemplo.
A regulagem de convergência da roda será feita através de um parafuso,
como mostrado na Figura 46. Quando o parafuso é afrouxado, o braço 3 fica livre
para se movimentar, alterando a convergência da roda. Após chegar no ângulo
de convergência desejado o parafuso é então apertado, mantendo o braço 3
nesta posição.
A regulagem de carga sobre a roda também é mostrada na Figura 46. Ela
será feita através de dois pesos, que serão adicionados ao braço 3, forçando o
conjunto roda e pneu sobre o pavimento. Assim, podem ser executados testes
sem peso extra sobre a roda, com um peso e com dois pesos, de modo que a
influência no ruído causada pelo aumento da carga sobre o pneu possa ser
estudada.
A regulagem de altura e cambagem da roda passou a ter agora oito níveis,
permitindo melhor ajuste do que no modelo inicial, onde haviam somente cinco
níveis. A Figura 46 mostra detalhadamente as variações disponíveis no
dispositivo e seus mecanismos, enquanto a Tabela 2 apresenta os níveis de
cada variação.
58
Figura 46 - Variações na bancada e seus mecanismos.
Tabela 2 – Variações possíveis no dispositivo.
Parâmetro Níveis
1 - Pavimento Concreto
Outros Pavimentos *
2 - Cambagem
1
2
3
4
5
6
7
8
3 - Convergência De -20º a +20º **
4 - Carga na Roda
Sem Carga
Com 1 Peso
Com 2 Pesos
5 - Pressão dos Pneus De 10 psi a 30 psi **
* Os outros pavimentos não acompanham o dispositivo e podem ser escolhidos e montados de acordo
com a necessidade do usuário.
** As regulagens de convergência e de pressão dos pneus não tem posições específicas e podem assumir
qualquer valor entre os valores mencionados.
59
Além das melhorias anteriormente citadas, o dispositivo teve sua pista
aumentada, de modo a permitir que em estudos futuros possam ser utilizadas
rodas maiores, se necessário. A pista maior também permite que a roda faça
uma trajetória com maior raio, obtendo maior velocidade final. As dimensões
finais do dispositivo podem ser vistas na Figura 47.
Figura 47 – Vista superior do modelo final da bancada com dimensões principais.
Logo abaixo, na Figura 48, pode-se observar a disposição de todos os
componentes. A Tabela 3 apresenta a lista dos principais componentes da
bancada e seus respectivos valores de massa estimada, que serão utilizados
nas etapas de projeto no capítulo 3.3.
60
Figura 48 - Disposição dos componentes da bancada.
Tabela 3 - Componentes da bancada.
ITEM COMPONENTE MASSA*
1 Pista 28,705 kg
2 Estrutura 9,187 kg
3 Motor e Caixa de Redução 5,100 kg
4 Braço 1 0,692 kg
5 Braço 2 0,268 kg
6 Braço 3 0,382 kg
7 Pesos 0,638 kg
8 Parafuso de Regulagem 0,022 kg
9 Parafuso da Convergência 0,022 kg
10 Parafuso de União dos Braços 0,012 kg
11 Roda e Pneu 0,708 kg
12 Mola 0,007 kg
13 Pés de Sustentação 0,380 kg
* A massa dos componentes disponíveis comercialmente foi obtida com o fabricante, enquanto a massa dos componentes a serem fabricados foi estimada via software CATIA.
A massa total estimada foi de aproximadamente 46 kg. Após a modelagem do
esboço via CAD e definição das peças e da disposição destas na bancada, o
61
capítulo a seguir apresenta as etapas de projeto dos elementos mecânicos do
dispositivo.
3.3. PROJETO DOS ELEMENTOS MECÂNICOS
Para a concepção do dispositivo, um fator importante a ser levado em
conta foi a restrição de custo, já que este deve ser construído com recursos
próprios ou disponíveis na universidade.
Encontrava-se disponível um motor de indução, que havia sido adquirido
com recursos próprios para outros fins, mas que tinha características adequadas
ao projeto em questão. Este motor foi então escolhido para uso no dispositivo.
Trata-se de um motor da marca WEG e pode ser visto na Figura 49. Suas
especificações podem ser vistas na Tabela 4.
Figura 49 - Motor WEG 1/4cv (Disponível em: https://www.centraldemanutencao.com.br/image/cache/data/GRD_605_conjunt
o%20motor-500x341.jpg).
Tabela 4 - Especificações do motor.
Motor WEG P/28
Voltagem 220V
Corrente 1,6A
RPM 1620rpm
Potência 1/4cv
Como a rotação de saída do motor é muito alta para a aplicação desejada,
é necessário reduzi-la. Dessa forma o motor será utilizado acoplado a uma caixa
de redução do tipo engrenagens sem fim, da marca Rossi, com relação de 22:1.
É então calculada a rotação de saída da caixa:
62
𝑁𝑐 = 𝑁𝑚/𝑖 (3.1)
𝑁𝑐 =1620
22= 73,63 𝑟𝑝𝑚
Outra restrição a ser considerada é a restrição de espaço disponível na
UnB Gama. Dessa forma, estipulou-se que a bancada teria de ser alocada em
uma área de no máximo um metro quadrado. Definiu-se então que o diâmetro
da pista seria de 93 cm e que a roda iria girar em um círculo de 38 cm de raio.
Com posse dessas informações e também da rotação de saída da caixa de
redução pode-se calcular a velocidade da roda:
𝑉 =
𝑁𝑐 . 2𝜋. 𝑅𝑝
60
(3.2)
𝑉 =73,63.2𝜋. 0,38
60
𝑉 = 2,92𝑚/𝑠 = 10,51 𝑘𝑚/ℎ
TIAN et al. (2014) mostra em seu trabalho testes feitos a partir de 30 km/h.
Já SIRIN (2016) mostra em seus trabalhos níveis de ruído provindos do pneu em
velocidades a partir de 16 km/h. Essas medições foram feitas in situ, onde há
várias outras fontes de ruído que influenciam na medição. Já a bancada proposta
é para fins didáticos, onde o posicionamento dos sensores será feito de maneira
que o ruído pneu-pavimento seja predominante mediante o ruído de fundo.
Considerando isso, e ainda, que o objetivo das medições é o estudo da
influência de diversos parâmetros, como: tipo de pavimento, modificação da
cambagem, pressão do pneu, entre outros, a velocidade imposta a bancada é
adequada para o objetivo descrito e irá gerar níveis de ruído suficientes para
medição e estudo.
Para viabilizar a utilização deste motor acoplado a esta caixa de redução,
é preciso que o torque fornecido na saída desta atenda com margem de
segurança ao torque necessário para colocar o dispositivo em operação. Para
calcular o torque necessário deve-se calcular primeiramente a força de
resistência ao movimento, que é composta da força de resistência a rolagem,
força de aceleração de translação, força de aceleração de rotação e força de
resistência aerodinâmica. Esta última será desconsiderada, já que a velocidade
no dispositivo é baixa se comparada a velocidade que um carro atinge.
63
Segundo CHIODELLI (2012), a força de resistência ao rolamento devido
a deformação dos pneus e a superfície do piso no ponto de contato, pode ser
obtida por:
𝐹𝑟 = 𝑅𝑚 . 𝑀 (3.3)
Onde 𝑅𝑚 é o coeficiente de resistência ao rolamento que pode ser obtido na
Tabela 5 de acordo com o tipo de pavimento. A fins de projeto será considerado
o coeficiente de resistência ao rolamento referente à areia, já que é a situação
de maior esforço a que o dispositivo poderá ser submetido.
Tabela 5 - Coeficiente de resistência ao rolamento (HPWizard – Automotive design tools apud CHIODELLI, 2012).
O maior esforço que o conjunto enfrentará será quando os dois pesos
referentes a regulagem de carga no pneu estiverem acoplados. Assim, a massa
considerada neste cálculo deve ser a da roda e pneu somada à do braço 2, braço
3, e à dos dois pesos, já que todas estas massas formam a força que o pneu irá
exercer no pavimento. Conforme a Tabela 3 mostrada anteriormente, o
fabricante da roda informa uma massa de 0,708 kg, enquanto a massa
aproximada do braço 2 obtida via software CATIA e também informada na Tabela
3 é de 0,268 kg. Já o braço 3 tem massa de 0,382 kg, e os dois pesos somam
uma massa de 0,638 kg. Dessa forma a massa total do conjunto é de 1,996 kg.
Com posse destes dados pode-se calcular a força de resistência ao rolamento:
𝐹𝑟 = 0,300 . 1,996 = 0,5988 𝑁
A força de aceleração de translação é estimada multiplicando a
aceleração desejada e a massa do conjunto roda, braço 1 e braço 2, braço 3 e
pesos. É interessante também somar o peso do medidor de NPS (0,450 kg), já
que o mesmo poderá ser acoplado ao braço 1. Conforme apresentado na Tabela
3, o braço 1 tem massa estimada de aproximadamente 0,692 kg que somada a
64
massa do conjunto roda, braço 2, braço 3, pesos e medidor de NPS totaliza 3,138
kg.
Deseja-se que ao fim da primeira volta do braço o dispositivo já esteja em
sua velocidade de trabalho. Assim calculou-se o perímetro do círculo percorrido
pela roda, obtendo o valor de 2,387 m, e o tempo gasto pela roda para percorrer
esta distância, que é de 0,817 s. Para que ao final desta distância a roda já tenha
obtido a velocidade de 10,51 km/h, é necessária a seguinte aceleração:
𝑎 = 𝑑/𝑡² (3.4)
𝑎 =2,387
0,8172= 3,576 𝑚/𝑠²
Com esses dados calcula-se então a força de aceleração de translação:
𝐹𝑎𝑡 = 𝑀. 𝑎 (3.5)
𝐹𝑎𝑡 = 3,138 . 3,576 = 11,2214 𝑁
Devido ao movimento rotacional da roda, há a força de aceleração de
rotação, que é dada por:
𝐹𝑎𝑟 =
𝐽. 𝑎𝑤
𝑅𝑟
(3.6)
𝑎𝑤 é a aceleração angular da roda, que tem valor de 47,76 rad/s² quando se
deseja que ao fim da primeira volta do braço o dispositivo já esteja em sua
velocidade de trabalho. Este valor foi obtido pela divisão da velocidade angular
da roda pelo tempo que o dispositivo leva para completar uma volta. 𝐽 é o
momento de inércia aproximado da roda, e pode ser calculado o da seguinte
maneira:
𝐽 =
𝑀𝑅
2(𝑅𝑟
2 + 𝑅𝑒𝑟2 )
(3.7)
Para o cálculo do momento de inércia é necessário o raio da roda a ser
utilizada. A roda escolhida foi uma roda com pneu 6x2, composta de pneu,
câmara de ar, e aro, com rolamentos em seu centro. Esta roda foi escolhida
devido ao tamanho compatível com o tamanho da bancada e também pela
possibilidade de se alterar a pressão de enchimento dos pneus. A roda é
mostrada na Figura 50, e tem raio de 7,5 cm e largura de 5 cm.
65
Figura 50 - Roda com pneu 6x2 (Disponível em: http://www.casadoborracheiro.com.br/sites/default/files/styles/max/public/image
ns-produtos/a04010-cs.jpg?itok=1ttu-28N).
Com posse do diâmetro da roda e também de sua massa, pode-se
calcular o momento de inércia:
𝐽 =0,708
2(0,0752 + 0,015872) = 2,0804. 10−3 𝑘𝑔. 𝑚²
Com os dados obtidos calcula-se a força de aceleração de rotação:
𝐹𝑎𝑟 =2,0804. 10−3. 47,76
0,075
𝐹𝑎𝑟 = 1,3247 𝑁
Assim calcula-se a força total de resistência ao movimento:
𝐹𝑟𝑚 = 𝐹𝑟 + 𝐹𝑎𝑡 + 𝐹𝑎𝑟 (3.8)
𝐹𝑟𝑚 = 0,5988 + 11,2214 + 1,3247 = 13,1449 𝑁
A força total de resistência ao movimento é aplicada na roda do veículo, e para
vencê-la, é necessário que a força aplicada pelo braço na roda seja de maior
magnitude. Calcula-se então o torque necessário para que o braço aplique esta
força na roda:
𝑇𝑐 = 𝐹𝑟𝑚 . 𝐿𝑏 (3.9)
𝑇𝑐 = 13,1449 . 0,38 = 4,9950 𝑁. 𝑚
O fabricante da caixa de redução informa que com o uso deste motor o
torque fornecido na saída da caixa é de 15 N.m. Dessa forma o conjunto motor
e caixa irão suportar com bom coeficiente de segurança o torque exigido.
O eixo da caixa de redução é quem transmitirá toda a força desta ao braço
1, dessa forma, deve ter diâmetro adequado para suportar tais esforços. O eixo
já é projetado pelo fabricante para suportar o torque fornecido, porém, neste
66
projeto ele será submetido também à força centrípeta causada pela rotação dos
braços e roda em torno de seu eixo. Desta forma, vê-se a necessidade de validar
o eixo para esta aplicação.
A força centrípeta que será aplicada no eixo pode ser calculada conforme
a equação 19. Os dados necessários são: a massa dos elementos que giram em
torno do eixo e que já foi calculada anteriormente e tem valor de 3,138 kg, o raio
que tem valor de 0,38 metros, e a velocidade, que tem valor de 10,51 km/h ou
2,92 m/s.
𝐹𝑐 =
𝑀 . 𝑉2
𝑅
(3.10)
𝐹𝑐 =3,138 . 2,922
0,38= 70,41 𝑁
A situação de maior esforço ao que o eixo seria submetido seria em caso
de um travamento do braço, onde todo o torque do conjunto motor e caixa seria
aplicado no eixo. Dessa forma, foi feita uma análise estática por elementos finitos
através do software SOLIDWORKS. O torque de 15 N.m e a força centrípeta de
70,41 N serviram como dados de entrada e foram aplicadas no eixo. O material
utilizado foi o aço carbono simples, com tensão de escoamento de 220Mpa. Foi
selecionada uma malha intermediária, de modo que cada elemento de malha
tivesse cerca de 3,5mm de largura. A Figura 51 apresenta os resultados de
tensão segundo o critério de von Mises.
Figura 51 - Análise estática no eixo da caixa de redução.
67
A maior tensão registrada foi na região da base do eixo, com valor de 31
MPa. O limite de escoamento do aço carbono, material utilizado no eixo da caixa,
é de 220 MPa. Assim, o eixo suportará os esforços a que será submetido.
O torque do eixo será transmitido ao braço 1 da bancada, e este deve
então ser validado, já que estará sujeito a flexão. O braço 1 foi idealizado para
ser fabricado com uso de um tubo de seção quadrada vazada de 20x20mm com
espessura de 1,5mm, pois é um material leve com medida comercial e de baixo
custo. Foi pensado ainda, de modo que pudesse comportar o medidor de NPS a
ser utilizado nas medições, por isso conta com o suporte em sua parte superior.
Para validar o braço 1 com essa espessura e ver se ele atenderá as
solicitações foi feita uma análise onde foi considerada também uma situação de
travamento, tendo como dado de entrada a força aplicada pela caixa de 15 N.m.
Na Figura 52 observa-se a análise estática do braço 1.
Figura 52 - Análise estática do braço 1.
A maior tensão registrada foi no furo onde será acoplado o braço 2, e tem
valor de 50 MPa. O material a ser utilizado no braço é o aço carbono, que tem
tensão de escoamento de 220 MPa, de forma que o braço atenderá aos esforços
com as dimensões que foram impostas.
O braço 2 foi esboçado de forma que houvessem 8 níveis de regulagem,
para que fosse possível ajustar e variar a cambagem da roda de acordo com a
altura ou espessura da superfície/pavimento a ser utilizado na bancada. A Figura
53 mostra o mecanismo de regulagem com os respectivos níveis.
68
Figura 53 – Níveis de regulagem do braço 2.
Nota-se que a regulagem que causa maior esforço na peça é a de número
1, dessa forma a análise estática dessa peça foi realizada com apoio nesta
regulagem. A força aplicada foi de 48 N e foi obtida decompondo o torque
máximo de 15 N.m da saída da caixa. A Figura 54 mostra a análise estática
realizada no braço 2.
Figura 54 – Análise estática no braço 2.
69
A maior tensão registrada foi de 129 MPa, que se comparada a tensão de
escoamento do material utilizado, que é de 220 MPa, garante um fator de
segurança de 1,71, como mostrado na Figura 55. O ponto onde a tensão máxima
foi registrada é na junção dos dois suportes ajustáveis ao tubo.
Figura 55 - Fator de segurança em análise estática do braço 2.
Outro componente que passou por análise estática foi o braço 3. Foi
aplicada uma força de 40 N, na extremidade do braço onde a roda é fixada,
referente a decomposição do torque máximo da caixa. A Figura 56 mostra os
resultados obtidos na análise.
70
Figura 56 – Análise estática no braço 3.
Considerando que o limite de escoamento do material desta peça é de
aproximadamente 220 MPa, o braço 3 terá resistência adequada ao projeto, já
que no ponto de maior deformação a tensão obtida foi de apenas 13,2 MPa. O
resultado nos mostra também que será necessária uma solda de boa qualidade
na peça, já que a tensão máxima é exatamente em um local de união de duas
peças, que será feita por processo de soldagem.
Após o projeto dos elementos mecânicos foram aplicadas as dimensões
finais de cada componente ao esboço feito em CAD pelo software CATIA. Após
isso foram feitos os desenhos técnicos das peças a serem fabricadas. Os
desenhos técnicos contendo mais detalhes e medidas referentes aos
componentes podem ser encontrados na seção “Anexos” deste trabalho.
3.4. VIABILIDADE DE CUSTO
O dispositivo de teste será construído com recursos próprios ou
disponíveis na faculdade UnB Gama. Dessa forma, é necessário avaliar
mediante uma estimativa de custos se o projeto é financeiramente viável.
Primeiramente foram levantados os valores dos componentes disponíveis
comercialmente, que serão adquiridos posteriormente. Após isso, foram
71
estimados os valores dos componentes a serem fabricados, através de
orçamentos dos materiais que serão utilizados para a fabricação, já que a mão
de obra e os equipamentos utilizados na fabricação serão próprios e os
disponíveis na faculdade UnB Gama.
A Tabela 6 mostra os componentes com seus respectivos custos. Os
custos dos componentes que serão fabricados se referem ao valor da matéria
prima para sua fabricação. Todos eles, seja componente ou material, estão
disponíveis no mercado para aquisição, demonstrando a viabilidade do projeto.
Tabela 6 - Estimativa de custo dos componentes
Componente Quantidade Valor(Reais)
Motor e Caixa 1 150,00
Roda e Pneu 1 56,00
Pés de Sustentação 4 58,00
Pista 1 200,00
Estrutura 1 180,00
Braço 1 1 55,00
Braço 2 1 30,00
Braço 3 1 60,00
Mola 1 20,00
Pesos 1 30,00
Parafusos e Porcas 26 25,00
Dimmer Elétrico 1 25,00
Plug de Tomada Macho
1 8,00
Fio PP 3x2,5mm 2 10,00
Tinta Vinílica 1 43,00
Tinta Poliuretano 2 58,00
Abraçadeiras Plásticas 5 4,00
Total R$1012,00
72
Dentre os componentes apresentados na tabela acima, serão fabricados:
pista, estrutura, braço 1, braço 2, braço 3 e os pesos. Parte do restante dos
componentes já está disponível para o projeto, e os que não estão serão
adquiridos comercialmente.
O fato de utilizar mão de obra e equipamentos próprios ou disponíveis na
faculdade UnB Gama é um dos fatores que viabiliza o projeto, já que o custo de
uma terceirização dos serviços seria elevado mediante o orçamento disponível.
Dessa forma, nota-se a viabilidade da bancada, já que o custo final estimado é
equivalente com o orçamento disponível para este fim.
Outro fato importante a se considerar é a falta de bancadas deste tipo
para compra no mercado. Não foram encontradas bancadas para este tipo de
estudo que pudessem ser adquiridas, ressaltando ainda mais a viabilidade da
construção do dispositivo.
No capítulo a seguir, serão apresentadas as etapas de fabricação do
dispositivo.
73
4. FABRICAÇÃO E MONTAGEM DA BANCADA
Após a concepção da bancada em CAD, o projeto dos componentes e as
análises estáticas realizadas nas peças sujeitas a maiores esforços, iniciou-se a
etapa de fabricação do dispositivo.
Os processos de fabricação utilizados na construção não são o objetivo
principal do trabalho, por isso serão comentados neste capítulo em caráter
ilustrativo.
Será apresentado também neste capítulo o procedimento de montagem
da bancada. Como a bancada será utilizada em projetos de pesquisas e também
pelos alunos de disciplinas da área de acústica, é importante detalhar o processo
de montagem para facilitar uma possível manutenção ou intervenção no
dispositivo que poderá ser necessária no futuro.
4.1. FABRICAÇÃO DAS PEÇAS
A etapa de construção do dispositivo começou com a revisão da caixa de
redução que será usada no dispositivo. Foi feita a desmontagem da caixa e a
limpeza de todos seus componentes. Com os componentes limpos, pode-se
observar que estavam todos em bom estado, e então foram lubrificados e
montados novamente, como mostrado na Figura 57.
Figura 57 – Revisão da caixa de redução.
74
O motor também passou por uma revisão, para garantir seu correto
funcionamento. Após a limpeza foi observado que a engrenagem sem fim estava
em perfeito estado, e que o motor não apresentava ruído excessivo. O eixo
também girava livremente, desta forma, não foi necessário desmontá-lo. O motor
após a revisão pode ser visto na Figura 58.
Figura 58 – Motor após a revisão.
A primeira peça a ser construída foi a estrutura da bancada. Os tubos de
aço de seção quadrada foram cortados nos comprimentos e nos ângulos
desejados com auxílio de um esquadro e uma esmerilhadeira angular equipada
com um disco de corte. Como os tubos estavam com a superfície externa
oxidada, foi utilizado um disco de lixa para a remoção da oxidação nos locais
onde os tubos seriam soldados, afim de garantir melhor profundidade e
homogeneidade dos cordões de solda.
Os tubos foram então posicionados com auxílio de esquadros magnéticos,
que tem função de colocar e manter os tubos em esquadro e na posição
desejada, para que no momento da solda não haja movimentação dos tubos.
Este processo é ilustrado na Figura 59.
75
Figura 59 - Posicionamento dos tubos com auxílio de esquadros magnéticos.
Com os tubos posicionados iniciou-se o processo de soldagem por
eletrodo revestido. Em todas as junções foram feitos cordões de solda inteiriços,
para que houvesse alta resistência e bom acabamento, como mostrado na
Figura 60.
Figura 60 - Cordões de solda por eletrodo revestido na estrutura da bancada.
As chapas de fixação do motor foram cortadas com a esmerilhadeira
angular no tamanho definido em projeto, e os furos necessários foram realizados
76
através da furadeira de bancada. Ao final, estas chapas foram soldadas à
estrutura, como ilustrado na Figura 61. Nesta etapa foram também soldadas à
estrutura as porcas de fixação dos pés de apoio.
Figura 61 - Chapas de fixação do motor soldadas à estrutura.
Finalizada a estrutura, iniciou-se a construção do Braço 1. Inicialmente,
no torno mecânico, foi usinada a bucha do Braço 1 que irá ser acoplada ao motor.
O material utilizado foi um tarugo de aço de 50mm de diâmetro. O tarugo foi
então usinado externamente como mostrado na Figura 62, para que tivesse bom
acabamento, pois já estava na medida de diâmetro externo desejada. Foi feito
também o faceamento de uma das faces do tarugo.
Figura 62 - Usinagem externa da bucha do braço 1.
77
Após isso foi feita a furação e usinagem interna na peça, como mostrado
na Figura 63, para que o diâmetro interno desejado fosse atingido e fosse
possível o encaixe da peça no motor.
Figura 63 - Usinagem interna da bucha do braço 1.
Com a usinagem interna pronta, foi feito o corte da peça na serra fita,
como ilustrado na Figura 64, no comprimento próximo do desejado. Após o corte
foi realizado o faceamento da outra face, atingindo então o comprimento
estabelecido em projeto.
Figura 64 - Corte da bucha do braço 1 na serra fita.
78
A bucha usinada foi soldada ao tubo de seção quadrada que compõe o
braço 1. Neste tubo, foi soldada uma bucha interna onde será fixado o braço 2
da bancada.
Após isso, foi feita a fabricação dos braços 2 e 3, que tiveram processos
de fabricação semelhantes aos já descritos.
A fabricação da pista do dispositivo iniciou com o corte de uma chapa de
6mm de espessura que estava disponível no laboratório de processos de
fabricação da Universidade. O processo de corte mais indicado para esta
espessura de chapa era o oxicorte, porém os custos para transporte da chapa
até o local de corte e também o custo do próprio corte seriam altos, o que
inviabilizaria a construção do dispositivo. Por isso, foi feito o corte no próprio local
com uma esmerilhadeira angular, como mostrado na Figura 65.
Figura 65 - Corte da chapa para construção da pista da bancada.
A chapa foi cortada em formato circular, como previsto em projeto. Após
o corte foram soldadas as chapas laterais da pista, e também os suportes para
fixação da pista na estrutura da bancada.
Com as peças construídas a bancada foi montada para que pudessem
ser realizados testes de funcionamento antes das etapas de pintura, de modo
que um possível defeito pudesse ainda ser corrigido. Após os testes serem
realizados nenhum defeito foi constatado, então pôde-se iniciar a preparação e
pintura das peças.
79
Como algumas das peças foram feitas com materiais usados, que
estavam expostos ao tempo e apresentavam sinais de oxidação, a etapa de
preparação para a pintura iniciou com a aplicação de uma solução removedora
de ferrugem e fosfatizante. Esta solução remove a ferrugem e condiciona o metal
para que se possa seguir com o processo de pintura.
Com a ferrugem removida pode-se começar o processo de pintura, que é
feito com uso de um compressor de ar e uma pistola de pintura. A tinta utilizada
na primeira camada de pintura foi o preto fosco vinílico, que é um promotor de
aderência e protetor anticorrosivo. Ele deve ser aplicado no metal nu, e é
responsável por proteger contra a corrosão e promover a aderência das
camadas de tinta que são aplicadas posteriormente. Na Figura 66 é possível
observar as peças com a primeira etapa de pintura concluída.
Figura 66 – Peças após a aplicação da primeira camada de tinta.
Para o processo final de pintura da bancada foram escolhidas tintas PU
(poliuretano). Este tipo de tinta tem como características: bom acabamento, alta
resistência mecânica, alta durabilidade e rápida secagem. Além disso, não
necessitam de aplicação de verniz, o que facilita o processo de aplicação. A
Figura 67 mostra algumas das peças após a finalização do processo de pintura.
80
Figura 67 – Peças após aplicação da camada final de tinta PU.
Ao final da pintura, foi feita a mistura de concreto para a fabricação do
pavimento na pista. O pavimento foi feito em duas etapas, começando com uma
camada de concreto com areia de granulação grossa, de modo a obter boa
resistência e evitar que se formem rachaduras em excesso. A segunda camada
foi feita com um concreto de areia fina peneirada, de modo a obter bom
acabamento superficial.
4.2. MONTAGEM
Com as peças construídas e pintadas, iniciou-se a montagem final da
bancada. Para a montagem deve-se observar o posicionamento das peças
mostrado na Figura 68 e seguir os seguintes passos:
1. Fixação do motor na caixa de redução, através dos quatro parafusos do
tipo Philips.
2. Instalação dos quatro pés de apoio na estrutura da bancada
3. Fixação do motor na estrutura da bancada, através dos quatro parafusos
Philips e dos quatro parafusos sextavados M8x40mm.
4. Montagem da pista na estrutura, pelos quatro parafusos sextavados
M8x70mm.
5. Fixação do braço 1 no eixo do motor, pelo parafuso sextavado M8 contido
em sua bucha. A ponta do parafuso deve coincidir com o rebaixo do eixo
do motor.
6. Inserção das duas buchas plásticas no braço 1.
81
7. Montagem do parafuso de regulagem e da mola no braço 1.
8. Montagem do braço 2, através do pino central e do parafuso com
blocagem.
9. Montagem do braço 3 no braço 2 pelo parafuso de fixação sextavado
M8x80mm.
10. Montagem do conjunto roda e pneu no braço 3, finalizando com a
inserção do contra pino no eixo do braço 3, de modo a fixar o conjunto
roda e pneu.
Figura 68 – Posicionamento das peças na bancada.
Com a estrutura e motor da bancada montados, foi feita a instalação
elétrica do motor. Para que a partida seja feita de forma suave e sem trancos,
optou-se por adicionar ao circuito elétrico um dimmer, que reduz a voltagem no
motor fazendo com que sua força seja reduzida. Como mostrado na Figura 69,
o circuito elétrico do dimmer foi revestido por uma capa plástica, e todas as
conexões elétricas do dispositivo foram isoladas com espaguete termo retrátil,
de modo a evitar contato de fios elétricos com a estrutura metálica.
82
Figura 69 – Conexões elétricas do dispositivo.
O dispositivo conta ainda com aterramento e tomada de três pinos, o que
o torna seguro para utilização em laboratório. O aterramento tem função principal
de colocar o dispositivo no mesmo potencial elétrico da terra, garantindo que
fugas de corrente elétrica não sejam descarregadas no usuário quando este
encostar no dispositivo.
Após a instalação elétrica ser concluída, efetuou-se a montagem do
restante dos componentes. O dispositivo montado pode ser visto nas Figura 70
e Figura 71.
Figura 70 – Dispositivo finalizado.
83
Figura 71 – Dispositivo finalizado com detalhe para os mecanismos de regulagem.
84
5. TESTES EXPERIMENTAIS
Com a bancada finalizada, é preciso realizar testes de funcionamento de
modo a verificar o correto funcionamento do dispositivo. Além disso, é necessário
realizar medições de ruído com a bancada, variando seus parâmetros para
verificar se essas variações causam influência no ruído gerado, e se essa
influência pode ser medida. O intuito desses testes é de validar o funcionamento
da bancada e sua aplicabilidade.
Para as medições foi utilizado um sonômetro da marca CESVA, modelo
SC101. Este sonômetro fornece o nível de pressão sonora em dB, e realiza
também a plotagem de um gráfico em função do tempo de medição, exibindo
também os níveis de pressão sonora máximo e mínimo registrados durante a
medição.
As medições foram realizadas com o sonômetro acoplado ao braço do
dispositivo, para que seja realizada a medição de ruído em todo o ciclo de
funcionamento do dispositivo, e não somente do ruído de passagem do pneu.
Foram definidos ciclos de medição de cinquenta segundos, onde nos primeiros
quinze segundos o dispositivo está desligado, de modo que o ruído do ambiente
é medido. O dispositivo é então ligado por vinte segundos e depois permanece
desligado por mais quinze. A Figura 72 exemplifica como foram feitas as
medições.
Figura 72 – Ciclos de medição utilizados.
85
A primeira medição realizada foi feita a vazio, ou seja, com o conjunto
roda e pneu removido do dispositivo, de modo a medir somente o ruído de
funcionamento deste. A Figura 73 mostra o sonômetro acoplado ao braço 1, sem
o conjunto roda e pneu.
Figura 73 – Sonômetro acoplado ao braço 1 do dispositivo, com roda e pneu desacoplados.
A Figura 74 apresenta os resultados da medição realizada. O menor nível
de pressão sonora obtido foi de 29,1 dB enquanto o nível máximo com o
dispositivo em funcionamento foi de 72,8 dB.
Figura 74 – Resultado da medição sem roda e pneu acoplados.
O conjunto roda e pneu foram então acoplados no dispositivo para
prosseguir com as medições. O pneu estava calibrado com aproximadamente
15 psi. Nesta próxima etapa a medição foi realizada com a cambagem e a
convergência neutras, e sem carga extra sobre a roda. A Figura 75 mostra o
dispositivo preparado para o teste nessas configurações.
86
Figura 75 – Dispositivo com ângulos de cambagem e convergência
neutros e sem carga adicional no conjunto roda e pneu.
Os resultados deste teste podem ser vistos na Figura 76. Obteve-se um
nível de pressão sonora máximo de 80,8 dB durante o funcionamento do
dispositivo. Se comparado com o nível de ruído do dispositivo sem roda e pneu,
percebe-se um aumento considerável no nível de pressão sonora.
Figura 76 – Resultados da medição com ângulos de cambagem e
convergência neutros e sem carga adicional no conjunto roda e pneu.
A próxima etapa de medição tem como intuito avaliar se a variação de
convergência do dispositivo é capaz de causar variação no ruído medido. O
dispositivo foi mantido na configuração anterior, porém com um ajuste no ângulo
de convergência, deixando-o divergente, como mostrado na Figura 77.
87
Figura 77 – Dispositivo com ângulo de convergência divergente.
Os resultados obtidos mostram que a influência no ruído total causada
pela variação do ângulo de convergência pode ser medida. Isso porque com o
ângulo de convergência divergente houve um acréscimo significativo no nível de
pressão sonora registrado, chegando a um máximo de 91,4 dB, como pode ser
visto na Figura 78.
Figura 78 – Resultados da medição com ângulo de convergência
divergente.
Para a próxima etapa de medição o ângulo de convergência foi mantido
desta forma, e foram então adicionados os dois pesos de modo a aumentar a
carga no pneu, como na Figura 79. A Figura 80 mostra os resultados dessa
medição.
88
Figura 79 – Pesos adicionados ao braço do dispositivo.
Figura 80 – Resultados da medição com os pesos adicionados ao braço
do dispositivo.
Observa-se que com o aumento da carga sobre o pneu o nível máximo de
ruído registrado aumentou de 91,4 dB para 98,4 dB, expressando que o aumento
de carga causou influência no ruído total.
O próximo parâmetro a ser variado para teste é o ângulo de cambagem
do dispositivo. O ângulo de cambagem foi então alterado, mantendo o ângulo de
convergência divergente e os pesos no braço 3. Foram feitas medições com o
ângulo de cambagem negativo e positivo, como mostrado nas Figura 81 e Figura
82 respectivamente.
89
Figura 81 – Roda com ângulo de cambagem negativo.
Figura 82 – Roda com ângulo de cambagem positivo.
Os resultados das medições com ângulo de cambagem negativo e
positivo podem ser vistos nas Figura 83 e Figura 84 respectivamente.
90
Figura 83 – Resultados com cambagem negativa.
Figura 84 – Resultados com cambagem positiva
Com a cambagem negativa houve uma diminuição do nível de pressão
sonora registrado, enquanto com a cambagem positiva notou-se um acréscimo
neste nível. Isso demonstra que a variação dos ângulos de cambagem causam
variação no nível de ruído total do dispositivo, e esta variação pode ser medida.
A Tabela 7 apresenta os níveis de pressão sonora máximos obtidos em
cada medição realizada.
Tabela 7 – Resultados das medições realizadas.
Medição Nível de pressão sonora
A vazio 72,8 dB
Com roda e pneu 80,8 dB
Roda divergente 91,4 dB
Roda divergente e com pesos 98,4 dB
Roda divergente, com pesos, camber negativo 79,4 dB
Roda divergente, com pesos, camber positivo 100,0 dB
91
Os resultados dos testes experimentais mostram que a bancada é capaz
de simular em escala reduzida o contato pneu-pavimento, gerando um ruído
pneu-pavimento que pode ser medido e estudado. Além disso, a bancada se
mostrou apta a funcionar com as variações de parâmetros que foram propostas.
Os testes mostraram que essas variações causam efeitos no ruído medido,
possibilitando o estudo da influência da variação de cada parâmetro no ruído
gerado.
92
6. CONCLUSÃO
O trabalho apresentado mostra todas as etapas de concepção, projeto e
fabricação da bancada didática de teste de ruído pneu pavimento. Com base na
revisão bibliográfica relacionada ao tema, e com base principalmente nas
vantagens de cada método de medição ou dispositivo analisado, chegou-se em
um modelo de bancada em escala reduzida. A bancada é capaz de efetuar
testes de ruído pneu pavimento variando cinco parâmetros, que são: pavimento,
ângulo convergência, ângulo de camber, carga sobre o pneu e pressão do pneu.
A bancada foi projetada e seus componentes foram validados,
demonstrando que esta atenderá as solicitações a que será submetida. Todos
os componentes e materiais para fabricação da bancada podem ser encontrados
comercialmente, demonstrando a viabilidade desta. Todos os processos de
fabricação são conhecidos e puderam ser feitos por meios próprios ou
disponíveis na universidade.
A bancada também se mostrou viável em termos de custo, já que a
estimativa de custo é compatível com os recursos disponibilizados para este fim.
Como os processos de fabricação e a mão de obra utilizados foram próprios ou
disponíveis na universidade, não houve custos com terceirização destes
serviços.
Ao se analisar o valor estimado de produção da bancada proposta, é
evidenciado que a produção de bancadas no âmbito da universidade é viável e
compatível com os recursos disponíveis para este fim. Dessa forma, é possível
com isso minimizar a carência por equipamentos deste tipo nas universidades.
De acordo com os testes de funcionamento realizados, a bancada se
mostrou uma boa alternativa para estudos na área de ruído pneu-pavimento, já
que pode reproduzir em escala reduzida algumas variações e configurações
encontradas em um veículo real, de modo a estudar os efeitos causados por
essas variações ao ruído pneu-pavimento.
A bancada didática será alocada em laboratório na universidade, se
apresentando como uma oportunidade para o desenvolvimento de estudos na
área de acústica veicular. O dispositivo pode ser utilizado servindo como base
para que estudantes possam desenvolver projetos de pesquisa nesta área.
93
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ANEXOS
ANEXO I: Desenhos técnicos da bancada
99
100
101
102
